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智能微尘（又名智能尘埃SmartDust）即将进入我们的生活。正在开发的计算机、传感器和机器人小如一粒盐，它们可以四处移动，探测光、声音、压力、化学物质和磁场。而它们的直径不到一毫米，厚度只有几百微米，可以处理信息并进行无线通信。这种智能微尘的用途会非常广泛，从医疗诊断、外科手术、大脑监测到追踪蝴蝶和农作物的状况。
这听起来是如此的美好，但有一个关键的问题：如何为它们供电呢？
目前最小的电池面积约为2平方毫米，也就是会比预期的智能微尘芯片大好几倍。而且它的功率并不足以持续供给设备的复杂功能。智能微尘芯片或许可以依靠外部电源，比如太阳能电池板。然而，这些又无法在夜间或雾天工作。
电池当然需要缩小，但以目前的技术，很难把所有的组件都挤进如此狭窄的空间。它们还需要被内置到微型设备中，而不是仅仅用螺栓固定在上面。这相当于特斯拉将电动车电池作为其汽车的一个组成部分，当然在智能微尘里，这种规模要小得多。且无论规模大小，制造电池和电子设备的技术都是不同的。
锂离子电池等紧凑型电池是用「湿化学」方法生产的——例如在金属箔上涂抹材料浆。调整材料的成分也只能提高少量的性能。
相比之下，微电子工程师使用蚀刻和沉积等方法，对半导体晶圆进行雕刻，要靠谱得多。但这些对于电池材料来说，效果并不好。所以我们需要从根本上进行不同的设计。
事实上，微型电池需要在两个方面取得进步：
1.能量密集、耐用的材料，以提高充电存储能力。
2.巧妙的架构，以缩小和组合组件。
作为专门制造微小设备的纳米科学家，我们已经亲眼目睹了将「电化学」和「微电子学」结合起来是多么困难。
迄今为止，这些学科是分开发展的。微电子工程师努力将新材料（如活性聚合物）融入其工艺中。「交叉污染」以及「热和电子特性不匹配」是常见的问题。而同时，电池和材料科学家又往往满足于根据某个参数优化材料，而不考虑其在设备和电路中的应用。
这就是为什么我们在实验室里建立了一个横跨这些领域的跨学科团队。
在这里，我们也想呼吁电气工程师、电池和聚合物科学家更加紧密地合作，以克服这些问题。重新设计电池结构、材料和制造方法应该是我们的研究重点。我们还想呼吁资助者和大学培养更多具有跨学科研究技能的科学家，以建立下一代微技术。
四种方法
电池本质上是一个由许多层组成的夹层。两个电极以化学能的形式储存电能。在这两个电极之间，有一个电解质作为中介，使电荷流动不致短路。连接到电极上的两个金属集电体将电力引向外部电路。然而，电极越小，它们能容纳的电荷就越少。裂缝和其他缺陷也可能会阻止电子的流动，导致电池失效。还有就是，脂肪材料层中离子和电子的扭曲通道会增加电阻。
为了绕过这些问题，最小的电池都非常薄。但它们单位面积能量密度也很低，约为一厘米大小的锂离子纽扣电池的倍。一块面积为2毫米2、厚度为微米的薄膜电池可以为一个简单的温度传感器提供2天的能量。但它不能提供「数据传输」一个小时所需的能量。
这里有四种方法可以在更小的空间里储存更多的电量。
一，在厚厚的电极上增加导电通道。就像在高速公路上画出的车道一样，嵌入的一排磁性颗粒能让电荷保持平稳移动。然而，这种方法还没有在毫米尺度上得到证明。准确地铺设颗粒链是很困难的。裂缝仍然是一个问题。
二，将许多薄的电池夹层堆叠在一起。这样可以保持电荷的「干净流动」。但很难可靠地沉积许多层，更不用说保持它们的排列。例如，退火一个电极层所需的高温可能会破坏下面的其他电极层。同时，有些材料也不能被放置在其他材料之上。而且随着堆叠的建立，不匹配的情况会越来越多。这种缺陷可能会导致间距很近的电极之间的短路。
三，重新设计电流收集器。将它们以柱状而非片状的形式构建，从而使结构成为3D，增加与电极和电解质的接触面积，从而提高汲取电能的效率。例如，通过将其蚀刻在硅片上，以3D方式构建这种精细结构是可行的。但问题是要加入额外的步骤，如涂覆电极材料，组装整个设备会变得非常麻烦的。目前还没有在微尺度上实现。
四，使用「微奥里」折叠或卷制薄膜。在更大的尺度上，可以用手工完成；在商用块状或圆柱状电池中，使用折叠或卷绕机。在毫米尺度上，自组装是另一种方式。通过建立和释放张力，可以使薄膜自己滚动。我们的小组已经用微型电容器做到了这一点，它是夹在金属之间的电介质片。但是，就像卷起一张海报一样，很难将薄膜卷起数百次而不发生错位。磁性引导可以提供帮助：在电池薄膜中加入少量的铁磁材料，并施加磁场，可以使卷绕程序保持在正确的轨道上。虽然我们已经用电容器展示了这一点，但电池组要难处理得多。因为它们更厚，其「机械行为」就变得更难预测。
折叠则更具挑战性。需要越来越大的力来弯曲不断增长的「堆栈」（就像将一张纸翻几倍一样），铰链会积累「应力」并开裂。一个"自我折叠"的过程将需要考虑到所有这些细节，例如在铰链中加入不同的材料。但是，要把所有的层和部件「对齐」还是很困难的。
我们估计，将一个薄膜电池折叠30次，放入一个适合最小的计算机（0.14平方毫米）的区域内，一次充电至少可以为其供电天。许多智能微尘的应用将需要更强大的电池，其折叠次数将达到数百次。
改进材料
微电池还需要材料的进步，使薄膜尽可能做得更薄，以帮助「微原形」，增强电荷存储。锂离子电池和水锌电池都是最发达的化学制品。目前的挑战是以「与半导体技术兼容的方式」制造它们。
在锂离子电池中，阴极材料(通常是金属氧化物，如LiMn2O4和LiCoO2)可以在微小的尺度上工作，通过蚀刻或掀开多余的材料。阳极(通常是石墨)和电解质则较难处理，电解质通常由液态有机化合物浸入基质或分离器中制成。固体电解质可以用这些办法，但陶瓷在很薄的时候会失去导电性，而且很脆。聚合物可以成型，但成型的过程（如离子蚀刻和光固化）必须进行微调——例如，在其分子链中建立容易形成或断裂的链接。其他方法也需要修正，如旋涂或在气相中沉积聚合物电解质。此外，高分子电解质的导电性也需要改进，以便与液体电解质竞争。
需要能容纳更多电荷的阳极。硅和锂阳极正在探索中，但它们需要被稳定化。硅会与锂发生反应，并在电池充电时膨胀，最终使电极「粉化」。纳米技术可以避免这种损害，例如将硅包裹在纳米石墨烯片中，并使用聚合物来适应体积变化。
由金属锂片制成的阳极也有很短的寿命周期。锂会随着电池的运行而被剥离，充电后会重新构建。但置换过程并不完善，阳极会在数百次循环中逐渐磨损。锂在微细加工过程中需要更好的管理。一种方法是避免使用金属片，用充电时仍在电解液中的离子有效地构建一个锂电极。这样的电池在5mm2芯片上可以循环80次。不过，这与植入式医疗设备所需的5-25年的寿命还是有很大差距。
水性锌电池还需要更好的电极。作为阳极的锌，能有效地储存和放电离子。酸性电解质可以比一般的碱性电解质更好。但是锌在酸中会溶解，释放出氢气。所以阳极必须用防腐层来保护，或者电解质需要进行改造，以减少质子的释放。同样，阴极（一般由MnO2和V2O5等金属氧化物制成）也容易受到酸的影响，需要有一层阻隔层。
这种电池还需要在更高的电压下工作--在超过约2V时，就会发生分水反应。这个问题需要克服，因为反应会消耗能量。需要探索所有参与携带电荷的中间离子（包括H+、Zn2+、Mn2+和OH-）及其与电极材料的相互作用的途径。基于聚合物的电解质可能会提供一个对「水分裂」的缓冲。
其他电池化学正在出现，如使用Mg、Ca、K和Na离子的电池，但这些还没有成熟到足以制造微型电池。
下一步工作
材料和微电子研究人员需要相互学习。当一种材料在实验室里工作得很好，但在实际设备中却很少能挽救这种性能时，是非常令人沮丧的。所以，我们必须到对方的实验室里，花几天时间设计和制作对方的原型，了解对方的难题。例如，聚合物电解质如何能经受住上面金属层图案所需的「湿化学」作用？
材料会议，如美国的材料研究协会、美国化学协会和美国物理学会的会议，应邀请电子工程师参加有关储能的会议。电子会议，如关于半导体技术的VLSI国际研讨会，应邀请材料科学家分享他们在电池化学方面的先进技术。其中一个目标是制定一个微型电池性能和目标规格的「联合路线图」。
在机器学习算法的帮助下，计算机建模也将是必不可少的。优化结构和材料对实验的要求很高。任何材料的变化（结晶度、厚度和合成路线）都会改变薄膜的力学、稳定性，从而改变「折纸行为」。需要做繁琐的工作来优化每个参数，如应变或电池化学。设计人员需要了解电化学和机械性能如何影响「自组装过程」。
大学需要开设材料化学和微电子技术的跨学科课程，而资金应该来自这两个领域。值得一提的是，中国正在朝着这个方向快速前进。8月，中国教育部设立了一个结合电子、工程、材料、化学和物理的跨学科学科，使其与自然科学等纯学科平起平坐。目前已投资20多亿美元，在中国广州的世界一流研究机构「香港科技大学」建立新校区，它将采用枢纽模式。例如，「功能枢纽」将融合材料和微电子学知识，以提高微型和纳米器件在多功能组件中的集成度。在德国开姆尼茨理工大学，我们中的一个人（O.G.S.）教授一门类似的课程，叫做微纳米技术中的材料。它混合了光子学、电子学、生物技术、微观机器人学和储能学，以培养学生为未来复杂的微系统工程做准备。
在这样的协调努力下，我们相信，微电池将在十年内为不可察觉的「普适计算」铺平道路。（普适计算是一个强调和环境融为一体的计算概念，而计算机本身则从人们的视线里消失）。