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弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所（下以Fraunhofer IZM代指） 正在突破极小型锂离子电池的界限，可生产的最小电池只有 1 平方毫米。 这些超小型电池通常用于微型入耳式设备，而这次竟成功应用于工蜂的背部。 来自 Fraunhofer IZM 的 Robert Hahn 向我们详细介绍了蜜蜂，以及它们为什么要背着装满微型传感器的小背包。 电池随身携带，甚至可以通过蜂巢中的红外线进行充电。 这也将是的最原始意义上的完全可充电研究无人机变为现实。 蜜蜂的故事揭示了在开发小型电池时所面临的技术挑战以及它们在未来的潜在诸多应用。

 

Real IZM：让我们从头开始：锂离子电池到底是什么，它们有什么特别之处？

 

Robert Hahn：锂离子电池是当今使用最广泛的可充电电池。它们首先安装在手机中，后来也安装在笔记本电脑和平板电脑中。现在，它们甚至可以作为电动汽车的主电池。

 

Real IZM：Fraunhofer IZM 在锂离子电池的开发中专注于什么？

 

Robert Hahn：在Fraunhofer IZM，我们专注于这些非常非常小的电池，除了我们之外，没有其他人可以开发这些电池。为了开发它们，我们在洁净室中使用我们的硅晶圆级工艺。这些电池确实非常小：只有 1×1 mm²。由于尺寸微小，我们可以在单个晶片上生产数千个。诚然，目前还没有那么多用户需要这些这么小的电池，但我们已经与一家大型医疗制造商开展了一个项目，希望将电子设备安装到隐形眼镜上，而另一个项目涉及直接放置在耳膜上的微型助听器。

 

目前，我们正在开发适合用于蜜蜂研究的微型传感器电池。蜜蜂将配备传感器，以在它们飞来飞去时捕获数据。我们使用的电池材料实际上是手机或电动汽车中所使用的电池材料。使用锂电池，您可以获得许多亚组和不同的电解质，我们始终尝试使用最新和最好的材料与搭配。

 

RealIZM：可以介绍一下背上迷你电池的蜜蜂吗？

 

Robert Hahn：蜜蜂项目由德国联邦农业部资助，目前仍在进行中。我们的合作伙伴是一家制造电子产品的公司，养蜂人，以及为蜂群制造蜂箱和框架的人。

 

RealIZM：就是说，Fraunhofer IZM 正在为这个项目生产小型电池？

 

Robert Hahn：没错，我们正在生产微型电池，在此项目中，我们甚至还开发了附在蜜蜂身上的微型太阳能模块。由于蜜蜂通常在阳光明媚的白天飞行，因此可以在旅途中为电池充电，这是出于我们很难将蜜蜂连接到充电器上的考虑。

 

我们选择的硅太阳能电池与您在人们屋顶上看到的太阳能电池板基本相似。然而，在这种情况下，硅具有对红外辐射敏感的良好附加特性，而蜜蜂根本无法感知红外线辐射。这就是为什么如果飞行时长不足以满足充电需求，电池依旧可以在蜂巢中用红外线充电的原因。这样保证了数据仍然可以在蜂箱中被传感器持续收集。

 

RealIZM：你刚才说FraunhoferIZM的研究人员是世界上唯一可以制造这些超小型电池的人。可以为我们更详细地描述它们是如何产生的吗？

 

Robert Hahn：当然，可能还有其他公司可以做到这一点，但他们还没有发布任何相关信息，无法确定。我可以想象，一旦这些微型电池有更多的应用，其他可以生产它们的公司就会出现。但就目前而言，它是我们理想的应用领域。

 

电池中的锂对潮湿的空气非常敏感，因此电池必须完全密封。通常来说，大型电池的外壳并不追求完美，其采用聚合物对聚合物的焊接方式焊接出聚合物和铝的复合薄膜。聚合物本身不是 100% 防水的。一些分子总是会扩散到其中，但这对于大型电池来说并不重要。

 

然而对于非常小的电池，情况就不同了：每一个进入系统的水分子都会与一个锂原子发生反应，从而使电池的容量越来越小，这就是为什么外壳在任何情况下都必须密封的原因。到目前为止，我们根本没有这种超小型且密封的外壳。唯一拥有类似功能的领域是起搏器，其拥有用于植入物和体内其他应用的电池。然而，这些电池实际上是用玻璃连接的带有焊接线的小玻璃盘和焊接在单元周围的钛外壳焊接在一起的。金属和玻璃一起密封良好，但由此引入的线的直径至少为 2 毫米。如果整个电池规格小于一毫米的话，那就太大了。

 

实际上这正是难点所在之一：电池越小，外壳技术占用的空间就越多，留给实际电池材料的空间也越来越小。有一些硅技术，在硅中从一侧到另一侧制作通孔，铜垂直穿过并穿过锂。这项技术也可以用于电池维系普通电路通路。

 

电池只需要两极。硅的优点是它与其他大多数材料相比可以被更精细地构造，这也是它被广泛用于半导体技术的原因。现有结构已经在纳米范围内，然而我们尚且还不需要那么精细，但如果有需求，我们可以为电池外壳制造大概 50 微米宽的硅传感器，且能够保持机械稳定性，其中电池的盖子、顶部和底部的厚度约为 40 微米。虽然这项技术在毫米级的小型电池中比人的头发还细，但电池的大部分主体都是活性材料，例如充满锂的阳极和阴极。由于周围的外壳非常小，我们使用了硅。其实硅并不是外壳的理想材料，因为它必须先非常好地进行钝化，否则可能会与锂发生反应。在这点上玻璃会更好，但它的结构无法做到那么精细。

 

因此，这是一个制造硅基板的问题，该基板具有用于阳极和阴极的凹槽，并且周围的壁尽可能薄。然后，我们首先在其上粘贴一个盖子来进行密封封装，盖子仍然是一种聚合物。整体再次金属化之后，涂抹 5 微米的金属层并在末端进行完全密封的操作。

 

RealIZM：在这项技术的发展过程中，最大的挑战是什么？

 

Robert Hahn：最困难的事情是液体电解质必须进入每个毫米级电池。我认为除了 Fraunhofer IZM 之外没有人能做到这一点。必须将电解液液滴倒入晶片上的数千个电池中，且在盖上盖子时，电解液不能与粘合剂结合，否则会粘不牢。另一方面，可用空间应尽可能充满电解液，使电池内阻低，离子电导率高。这是一项极其复杂的技术。

 

另一个困难是电池的温度不是特别稳定。它们可以承受 80 度上下的温度大约一个小时左右，但如果温度更高或更长，它们会很快降解。这就是为什么把手机放在温暖的车里晒太阳是不好的。当它变得那么热时，电池会老化很多。如果电池过热，对制造来说也不利。

 

例如，在洁净室中用于最终金属化的所有工艺和机器在工作中可以迅速达到 80 度以上。必须优化这些过程，以便它们能够在尽可能低的温度下工作，也是富有挑战的。

 

RealIZM：这些超小型电池未来的应用领域是什么？

 

Robert Hahn：我们可以将其分为三个不同的领域：最大的市场可能是医疗领域。例如，微型电子传感器将放置在患者身体上或体内的某处。然后，它们将与人工智能或物联网相关联。通过这种方式，可以测量诸如眼压或其他各种重要参数。然而目前还不可能做到。

我们已经收到了许多关于在口腔中使用传感器的询问。他们可以测量某些东西，例如，通过牙齿间隙中的植入物或内置一种微型电子设备的牙科芯片。当然，电子设备必须非常薄，否则佩戴者会注意到。它也适用于耳朵。微型助听器直接安装在耳膜上，因此您不再拥有普通扬声器的微型版本，而是一个移动实际耳膜的压电致动器，不仅可以提高工作效率并且总体上将会使用更少的能量。

 

就植入物而言，例如起搏器，它们直接位于心脏中应传递脉冲的位置。这些植入物只有稍大的颗粒那么大。但是，它们必须以不同的方式进行支持；还有一些项目通过心脏本身的压力波动直接为它们充电，从而通过机械转换再次产生能量。

 

在某种程度上，这仍然是对未来的展望。但是目前已经有助听器和牙套的产品，虽然体积仍然有点大，但将来很有可能变得更小。对于隐形眼镜，也可以有丰富应用前景，好比眼睛中的显示器可以向您展示某些东西，例如007中詹姆斯邦德的场景。使用这项技术可以更好地治疗眼科疾病。此外，还可以革新许多东西，比如电子镜头本身，它可以取代今天的变焦镜头。

 

第二个领域通常是科学研究，你只想拥有微型传感器，在不影响环境本身的情况下测量某处的东西。即使您只想跟踪一个小物体上的温度，热电偶也可能已经歪曲了测量结果，使用微型传感器可以很好地解决这个问题。且不仅适用于温度，还适用于其他各种难以获得的传感器类型。

 

例如，在与蜜蜂有关的项目中，我们想看看蜜蜂本身的行为以及它们受到环境毒素的威胁程度，或者如何提高蜜蜂的表现。此外，蜜蜂身为一种农场动物，属于大规模农业，但这在伦理上可能存在一些问题，虽然还是有良好的监控确保蜜蜂的福利不受影响。与几乎 100% 人工控制的其他农场动物的不同之处在于，蜜蜂尚无法做到这一点，因为很难控制蜂王在空中遇到无人机。但至少应该更好地观察它以了解正在发生的事情，这就是为什么需要将传感器安装在无人机上的原因。

 

另一方面，蜜蜂、大黄蜂和其他昆虫也被用作载体。传感器附在它们上面，可以进行不同的环境测量。它们在全国各地飞来飞去，因此可以分析数以千计的测量值，也可以使用人工智能。这是另一个可能需要这些小型传感器的研究领域。

 

然后还有第三个应用领域，且在将来会变得更加有趣。电子产品越来越多地出现在生活的各个领域。因此，如何保护这些电子设备不被黑客篡改或攻击变得越来越重要。加密系统保证了各种流程的顺利运行，因此，电子设备应当是完全安全可靠的。通过硬件更好地保护当前加密系统或密钥本身是一种方法：您可以将其中一个超小型电池连接到存储密钥的集成电路上。然后，电池可以永久地监控是否有人试图在未经授权的情况下读取密钥并销毁密钥。这是一种特殊防篡改电子系统技术的一部分，也是这些小型电池的实际应用领域。

 

到目前为止，我们已经在其中两个领域开展了项目。一种用于研究中的小型传感器，另一种用于医疗技术。我们还研究了安全电子产品，但在这方面还没有一个活跃的项目。

 

RealIZM：您在 Fraunhofer IZM 将这些电池用于哪些医疗技术项目？

 

Robert Hahn：我们目前正在进行一个关于这些位于耳膜上的小型助听器的项目。我们电池的内阻还是有点高，因为他们希望电池能够尽快充电。一个充电的好方法是使用小型太阳能电池和红外辐射。为此，您可以在耳朵中放置一个红外线插头来为设备充电。但该公司希望在 15-60 分钟内完成充电，而我们还没有做到这一点。现在，我们正在努力提高内阻和快速充电能力。

 

另一件事是容量，当电池变小时容量会相应变小，这也督促我们始终使用具有最高能量密度的最新材料。为了在我们的小型电池中获得尽可能高的能量密度我们付出了很多努力。为此，我们采用了比当今普通电池更大更富含能量的材料，以补偿微型电池存储更少能量的缩放效应，例如，助听器在使用至少 12 小时后才需要充电。

 

RealIZM：使用新材料时是否仍然考虑成本优化？

 

Robert Hahn：硅片生产的复杂过程非常昂贵，但由于电池太小，材料真的不起任何作用。此外，您可以在医疗技术方面获得相当不错的价格。我认为，我们的电池可能用于下一代助听器的预制件，充电电池的成本约为 80 欧元。

 

当我们按合同生产电池时，通常是几千块。每个电池的价格最终约为 50 到 100 欧元。这在任何情况下都是可以接受的。毕竟我们不是工厂，只生产小系列和样机。

弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所（IZM）简介： 隶属于弗劳恩霍夫“辅助健康生活业务联盟”的弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所坐落在德国柏林以及德累斯顿和科特布斯等地，重点是包装技术和多功能电子器件与系统的集成。

 

该研究所有430多名员工，2019年的营业额为3570万欧元，其中41.8%是通过合同研究获得的。同时，弗劳恩霍夫IZM也与柏林工业大学及其他科研机构密切合作，目前现任IZM研究所所长即为柏林工业大学教授。