Chế tạo pin siêu nhỏ cho các vi máy tính IoT, thiết bị y tế và robot vi mô

Máy tính phổ dụng hoặc máy tính ở mọi nơi đang là ý tưởng ngày càng phát triển, các bộ vi xử lý được nhúng vào mọi vật thể hàng ngày để thực hiện các tác vụ thông minh trong môi trường IoT, thiết bị cấy ghép y tế thu nhỏ, hệ thống robot vi mô và thiết bị điện tử siêu linh hoạt.

Nhóm chuyên gia do PGS Oliver Schmidt dẫn đầu từ Đại học Công nghệ Chemnitz, Đức cho biết, tỷ lệ thu nhỏ với máy tính là khoảng 100 lần mỗi thập kỷ. Những tiến bộ trong vi điện tử đã cho phép phát triển các máy tính thu nhỏ với kích thước một hạt bụi hơn một mm2 và dày vài trăm micromet, hình thành môi trường ứng dụng máy tính mọi nơi.

Nhưng có một thách thức lớn, những máy tính vi mô chưa có pin đủ nhỏ để lắp bên trong và cung cấp năng lượng. Điều kiện then chốt là pin lưu trữ và thu năng lượng quy mô dưới mm, một vấn đề lớn mà các nhà khoa học trên khắp thế giới đang nghiên cứu .

Pin thông thường rất khó thu nhỏ vì dựa trên “hóa học ướt”, các điện cực, chất điện phân và chất phụ gia được xử lý ở dạng chất dính và phủ lên một lá kim loại. Có thể tạo ra các vi pin theo cách này với mật độ năng lượng và công suất phù hợp, nhưng không thể đủ nhỏ vì đến kích thước nhất định không thể dùng chất điện phân lỏng.

Giải pháp khả thi là pin thể rắn với các lớp màng mỏng xếp chồng lên nhau. Năm 2019, Schmidt và các đồng nghiệp phát triển loại pin nhỏ nhất thế giới phân lớp, chất điện phân trạng thái rắn được lắp giữa hai điện cực màng mỏng.

Chất điện phân rắn kém hiệu quả hơn so với chất lỏng, nên nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật origami vi mô, được gọi là "cuộn Thụy Sĩ" giảm kích thước pin đồng thời tăng năng lượng lưu trữ.

Thiết kế cuộn Thụy Sĩ trên một con chip bằng quy trình đúc vi mô rất khó khăn, nhưng sử dụng quá trình tự lắp ráp trên chip nhờ phương pháp vi origami cho phép nhóm nghiên cứu chế tạo một pin hình trụ có diện tích 0,04 mm2 và có dung lượng cao hơn 8 lần so với pin phẳng có kích thước tương tự.

Những viên pin siêu nhỏ được sản xuất bằng cách sử dụng “cuộn Thụy Sĩ”

Ý tưởng thiết kế dựa trên sự căng thẳng trong hệ thống, dẫn đến việc tự động cuộn lại. Xếp liên tiếp nhiều lớp polyme, kim loại và vật liệu điện môi (các thành phần của pin) lên bề mặt chip wafer (chip màng mỏng), có thể buộc cấu trúc tự động “cuộn Thụy Sĩ” khi ghim một mặt của vật liệu mỏng xuống và giải phóng lực căng.

Giải pháp này không cần ngoại lực để chế tạo pin siêu nhỏ hình trụ tự quấn. Phương pháp này tương thích với những công nghệ sản xuất chip đã có và có thể chế tạo pin siêu nhỏ thông lượng cao trên bề mặt wafer.

Những viên pin nhỏ sạc lại có thể cung cấp năng lượng cho các chip máy tính có kích thước nhỏ như hạt bụi trong khoảng 10 giờ. Bước tiếp theo là tối ưu hóa công nghệ này và quy trình công nghệ để chế tạo các viên pin siêu nhỏ mạnh trong tương lai.