摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

日益增长的微/纳米系统（如微机电系统（MEMS），微/纳米机器人，智能便携式/可穿戴微系统和可植入微型医疗设备）的需求推动了微型储能器件（MESD）的发展及其所需的极端制造工艺，如图1所示。微型储能器件的电极尺寸一般在微米范围内，其不仅可以用作微/纳米系统的能源供给，而且还可以直接与微/纳米设备集成，从而满足对集成化，智能化，紧凑化和轻巧化的需求。科研人员研究了有关微型电池和微型超级电容器的材料制备，结构设计，电极制造方法，功能化以及对于未来的研究方向展开了激烈的讨论，然而一个全面的从早期设计到后续以目标为导向的电极制造和集成应用的概括仍是非常需要的。近期，湖南大学汽车车身设计及制造国家重点实验室的刘怀志博士，张冠华副教授，郑鑫，陈逢军副教授和段辉高教授在在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《用于微系统应用的新兴微型储能器件：从设计到集成》的综述，作者全面地总结了微型储能器件的结构设计，微电极制造，材料加工以及相关应用，如图2所示。此外，由微型储能器件和一系列实用的微型电子器件组成的片上集成微系统被进一步讨论。最后，作者对于更好地促进微型储能器件的开发和实际应用做了进一步的展望。

图1 微型储能器件在各种微/纳米系统中的集成和应用：微/纳米机器人，微机电系统，可植入医疗设备,智能电子器件。

图2 微型储能器件的全面介绍：结构设计，微电极制造，相关应用及片上集成微系统。

2.研究背景

微型储能器件主要包括微型电池(MBs)，微型超级电容器(MSCs)，以及新兴的微型混合金属离子电容器(MHMICs)。微型储能器件易于与特定微电子器件和微系统集成以及满足其所要求的电化学性能，使其成为微型电子设备和集成微系统应用不可或缺的的一部分。图3显示了过去10年(2010-2019)有关微型电池(MBs)，微型超级电容器(MSCs)，微型混合金属离子电容器(MHMICs)的文章发表数量，发文量的急剧增加表明微型储能系统的重要性日益提高，并且有必要做更进一步的研究。图4和图5展示了微型储能器件常见的结构设计以及微电极的先进制造技术。

图3 过去10年与微型储能器件相关的论文研究数量。

图4 微型储能器件常见的结构设计。

图5 微型储能器件常见的微电极制造方法。

3.最新进展

微型储能器件的最新进展分为三个部分：微型电池、微型超级电容器和微型混合金属离子电容器。在每个部分中，作者依次讨论了其背景，原理，具体分类和最新进展。除此之外，作者特别讨论了由微型储能器件和各种微电子设备组成的片上集成微系统及其应用前景。

微型电池

为满足微型电子设备的迫切需求，构建具有优异的机械稳定性和高性能的微型电池以及集成的微电子系统是非常重要的。图6展示了几种不同的锂离子微型电池的应用。

图6 微型电池-锂离子微型电池。（a）柔性锂离子微型电池的示意图；（b，c）3D叉指微型锂离子电池；（d，e，f）全部件3D打印的锂离子微型电池。（a）经许可转载，版权所有（2012）美国化学会。（b，c）经许可转载，版权所有（2013）WILEY。（d，e，f）经许可转载，版权所有（2018）WILEY。

微型超级电容器

近年来，随着具有高功率密度，出色倍率性能，快速响应以及长循环能力的微型电源的出现，人们对微型超级电容器的兴趣日益增加。图7展示了典型的赝电容式微型超级电容器及其在众多微系统中的应用。

图7 赝电容微型超级电容器。（a，b，c）压印法用的MXene墨水和充放电曲线；（d，e，f）NiFe2O4电镜图及对应的循环伏安曲线和充放电曲线；（g，h）（VN）// MnO2 微型超级电容器的示意图。（a，b，c） 经许可转载，版权所有（2018）WILEY。（d，e，f）经许可转载， 版权所有（2016）。（g，h） 经许可转载， 版权所有（2018）Elsevier。

微型混合金属离子电容器

典型的混合金属离子电容器是由一个电容电极和一个电池类型的法拉第电极组合而成。从能量存储机制的角度来看，电容性正极通过离子在表面上的吸附/解吸起作用，而负极则通过阳离子嵌入/脱出起作用。两种不对称充电/放电过程倾向于在不同的电势下工作，从而有助于扩大工作电势窗口，并且还改善了电子器件的能量密度。图8展示了微型混合电容器的典型应用，它们在微型化器件应用和高度集成的微系统的开发中具有广阔的前景。

图8 微型混合金属离子电容器。（a，b，c）LTO // AG-微型混合锂离子电容器示意图及电化学性能展示。（d，e，f）VS2 @ EG // AC 微型混合钠离子电容器示意图及电化学性能展示。（a，b，c） 经许可转载，皇家化学学会版权所有2018。（d，e，f）经许可转载，版权所有（2019）WILEY。

片上集成微系统

理想的基于微型储能器件的片上集成微系统不仅要具有优异的电化学性能和良好的耐用性，还应能适用于特定的用途。在该研究领域里，微型储能器件与能量收集装置、屏幕显示器、燃料电池、传送器、电致变色以及多种传感器的集成已被广泛研究。图9展示了微型储能器件与不同微电子产品之间的集成应用。

图9 片上集成微系统。（a，b）由光催化燃料电池和微型超级电容器组成的全柔性系统。（c，d）微型电池的透光率和雾度效应的示意图。（e）传送器的照片和示意图。（f）串联式微型超级电容器与太阳能电池和气体传感器组成的微系统。（a，b）经许可转载，美国化学学会版权所有2019。（c, d）经许可转载，皇家化学学会版权所有2018。（e）经许可转载，版权所有（2017）Elsevier。（f）经许可转载，版权所有（2017）WILEY。

4.未来展望

从微型储能器件最新进展来看，未来的挑战不仅是要在有限的器件面积内提高电化学性能（例如高能量和高功率密度），提高使用寿命，而且还需要整合多功能电子器件以满足微型电子设备和微系统的多种需求。为了更好地促进微型储能器件的发展，未来的研究应关注以下几个方面。1）先进的结构设计和微/纳米结构设计。2）实用的微电极制造技术。3）高性能多功能的活性物质及其表征方法。4）合适高效的电解质。5）与微电子器件集成的微系统应用。