固態電池可能幫助微型機器人起飛

雖然微型飛行機器人常出現在科幻電影和陰謀論中，但在現實生活中，這些小型飛行機器人因為受到電池和電子元件的限制，難以飛得很遠。不過，最近有一種新型的電路和輕量固態電池組合，稱為「飛行電池」拓撲，可能讓這些機器人真正起飛，並能夠在毫克重的系統中持續供電數小時。

微型機器人可能是一項重要技術，可以用來尋找被瓦礫掩埋的人或在其他危險情況下進行偵查。但這是一個困難的工程挑戰，加州大學聖地牙哥分校的電機與計算機工程教授帕特里克·梅西耶（Patrick Mercier）表示。梅西耶的學生林子曉（Zixiao Lin）上個月在IEEE國際固態電路會議（ISSCC）上介紹了這種新電路。梅西耶說：「你有這些非常小的機器人，你希望它們在現場能持續工作更長時間。最好的方法是使用鋰離子電池，因為它們擁有最佳的能量密度。但有一個根本問題，驅動器需要的電壓遠高於電池所能提供的。」

梅西耶解釋，鋰電池能提供約4伏特的電壓，但微型機器人的壓電驅動器需要數十到數百伏特的電壓。包括梅西耶自己的研究小組在內的研究人員已經開發出像升壓轉換器這樣的電路來提高電壓。但因為它們需要相對較大的電感器或許多電容器，這些會增加過多的質量和體積，通常佔據的空間和電池本身差不多。

法國國家電子實驗室CEA-Leti開發的一種新型固態電池提供了潛在的解決方案。這些電池是一種薄膜堆疊材料，包括鋰鈷氧化物和鋰磷氧氮化物，使用半導體加工技術製成，可以切割成微小的電池單元。一個0.33立方毫米、0.8毫克的電池單元可以儲存20微安培小時的電量，或每升約60安培小時。（鋰離子耳機電池提供超過100安培小時/升，但體積約大1000倍。）基於這項技術的CEA-Leti子公司Inject Power位於法國格勒諾布爾，計劃在2026年底開始大規模生產。

空中堆疊電池

固態電池可以切割成微小電池的特性讓研究人員想到，可以使用一種不需要電容器或電感器的電路來實現高電壓。相反，這個電路會主動重新排列許多小電池之間的連接，將它們從並聯轉為串聯，再轉回來。

想像一個微型無人機，通過附著在壓電驅動器上的翅膀拍打來移動。在它的電路板上有十幾個固態微電池。每個電池都是由四個晶體管組成的電路的一部分。這些晶體管充當開關，可以動態改變與該電池相鄰的電池的連接，使其處於並聯狀態（共享相同的電壓）或串聯狀態（將電壓相加）。

一開始，所有電池都是並聯的，提供的電壓遠遠不夠觸發驅動器。加州大學聖地牙哥分校的團隊建造的2平方毫米的集成電路開始開啟和關閉晶體管開關。這樣重新排列電池之間的連接，首先將兩個電池串聯，然後三個，然後四個，依此類推。在幾百分之一秒內，所有電池都連接成串，電壓積累了足夠的電量，使驅動器觸發微型機器人的翅膀向下拍打。然後，集成電路再將過程反轉，將電池一個個重新並聯。

這個「飛行電池」的集成電路總面積為2平方毫米。帕特里克·梅西耶（Patrick Mercier）

絕熱充電

為什麼不直接將每個電池同時串聯，而要經過這種逐步上升和下降的方式呢？簡單來說，就是效率。

只要電池的串聯和並聯在足夠低的頻率下進行，系統就會以絕熱的方式充電。也就是說，它的功率損失被最小化。

但在驅動器觸發後發生的事情才是真正的「魔法」，梅西耶表示。電路中的壓電驅動器像一個電容器，儲存能量。「就像你在汽車中有再生制動一樣，我們可以回收一些儲存在這個驅動器中的能量。」當每個電池被解開時，剩餘的能量儲存系統的電壓低於驅動器，因此一些電荷會流回電池。

加州大學聖地牙哥分校的團隊實際上測試了兩種固態微電池——來自東京的TDK（CeraCharge 1704-SSB）的1.5伏特陶瓷版本和來自CEA-Leti的4伏特定制設計。使用1.6克的TDK電池，電路達到了56.1伏特，並提供了每克79毫瓦的功率密度，但使用0.014克的定制儲存，最大達到68伏特，並展示了每克4,500毫瓦的功率密度。

梅西耶計劃與機器人合作夥伴測試該系統，同時他的團隊和CEA-Leti將致力於改善飛行電池系統的包裝、微型化和其他特性。一個需要改進的重要特徵是微電池的內部電阻。他表示：「這裡的挑戰在於，堆疊越多，串聯電阻就越高，因此我們能運行系統的頻率就越低。」

儘管如此，梅西耶對飛行電池能讓微型機器人持續飛行的機會持樂觀態度。他說：「絕熱充電加上能量回收，沒有被動元件：這兩個優勢有助於延長飛行時間。」