面向人工智能集成智能电子器件的平面微尺度电化学储能器件：材料、结构与系统创新

《The Innovation》：Planar microscale electrochemical energy storage devices toward AI-integrated intelligent electronics

随着AI集成电子器件的快速发展，传统电源难以满足微型化、多功能化器件的严苛需求。本文聚焦平面微尺度电化学储能器件（PMESD），系统阐述了其水平/多向离子传输机制、二维材料异质结构设计、微加工技术及多界面耦合等创新突破，实现了面积电容超4 F/cm2、输出电压达500 V/cm2的高性能器件，为柔性电子、植入式医疗等AI驱动系统提供了能源解决方案。

　　

当人工智能（AI）技术以前所未有的速度渗透到电子设备的各个角落，从可穿戴传感器到神经接口设备，从柔性显示屏到物联网终端，这些智能电子器件正朝着微型化、多功能化和自适应化的方向飞速演进。然而，一个关键的瓶颈问题日益凸显：传统的块状电源（如常规电池和电容器）难以在毫米甚至亚毫米尺度的器件空间内，同时满足高能量密度、高功率密度、机械柔性和系统集成等多重要求。正是这一矛盾，催生了平面微尺度电化学储能器件（Planar Microscale Electrochemical Energy Storage Devices, PMESDs）的蓬勃发展，使其成为构建下一代智能系统的核心能源组件。

PMESDs主要包括微型超级电容器（Micro-supercapacitors, MSCs）和微型电池（Micro-batteries）。前者以其超高的功率密度（可达10 mW/cm²）和极长的循环寿命（>10,000次循环）著称，而后者则能提供更高的能量密度（面积能量密度超过10 mWh/cm²，体积能量密度接近100 mWh/cm³）。尽管取得了显著进展，但如何在微尺度下平衡能量与功率、适应不规则形状、并确保在机械变形下的稳定运行，仍是PMESDs面临的持续挑战。突破这些障碍不仅需要材料和制造工艺的创新，更依赖于结构设计、界面工程和智能能源管理的协同发展。发表在《The Innovation》的这篇评论性文章，深入剖析了PMESDs领域的现状与新兴机遇。

为开展此项研究，作者团队重点运用了几项关键技术方法：通过激光刻蚀、光刻、印刷（包括3D打印）和微流控等高精度微加工技术实现微电极的可定制化构建；利用层状异质结构纳米片（如石墨烯/MXene与过渡金属二硫化物、层状双氢氧化物的复合材料）的逐层组装或自对准堆叠进行先进材料设计；采用强化界面工程策略，如在微电极内引入柔性骨架框架和使用具有优异渗透性的凝胶电解质；以及基于AI辅助设计（如监督学习模型）来预测关键材料参数和优化器件架构。

水平与多向离子传输

PMESDs最显著的特征是其独特的构型：相对的微电极位于同一平面上，这使得离子迁移方向主要平行于基底，与传统三明治结构器件中离子垂直传输的方式截然不同。二维（2D）材料的高横向载流子迁移率与PMESDs微电极间的水平电场分布高度契合，显著增强了基于2D材料的微电极平面内的电荷存储。更深入的是，在微电极尺度下，当电极的厚度与宽度相当时，会诱发类似于球形扩散的离子传质行为，形成了多向离子转移机制。例如，在两个叉指微电极中，可以识别出四条 distinct 的离子传输路径，这大大降低了离子扩散阻力，加速了电荷传输，从而显著提升了PMESDs的倍率性能。

先进材料与结构工程

二维材料因其固有的各向异性结构，天然支持高效的面内离子和电子传输，在PMESDs中极具吸引力。其中，石墨烯以其高比表面积和优异导电性被广泛研究，但其实际应用常面临重新堆叠和有限赝电容行为的挑战。为克服这些限制，近期研究致力于构建具有丰富可及表面、界面电场和可调活性点的材料体系。一个有效策略是使用高导电性2D材料（如石墨烯和MXenes）作为空间限域模板，通过逐层组装或自对准堆叠构建层状异质结构纳米片。这些混合架构不仅防止了单个纳米片的团聚，还创造了具有内建电场的异质界面，促进了面内电荷重新分布和离子传输动力学。在材料创新的同时，合理的结构工程对于进一步增强离子传输和强化多向离子转移机制至关重要。一种特别有效的方法是在2D材料中创建平行于侧表面的有序介孔阵列，以简化面内离子扩散。对于厚的微电极，还可以集成垂直排列的介孔结构（包括单或双介孔系统），从而实现贯穿微电极的、更高效的多向扩散，释放更高的电化学性能。

制造技术与器件架构

微电极的可定制化构建是PMESDs规模化应用的基本前提。高精度和高通量的微加工技术，如激光刻蚀、光刻、印刷和微流控，被用于解决微图案设计与制造工艺之间的兼容性挑战。其中，3D打印已成为一种极具前景的多功能方法，能够制造超高负载量的微电极（质量负载超过200 mg/cm²），远超传统薄膜或浆料方法的限制，从而实现了面积电容超过4 F/cm²的MSCs和面积容量超过30 mAh/cm²的微型电池。另一方面，先进的光刻技术可以制造高分辨率、精确对准的微电极阵列，使得在仅1 cm²的区域内集成超过50个独立的PMESDs成为可能，这些微器件可以串联配置，提供面积归一化输出电压超过500 V/cm²，为集成PMESDs设立了前所未有的标杆。此外，超越传统平面形式，非标准、形状可适或仿生设计（即不规则形状或结构化PMESDs）正受到越来越多的关注。通过混合3D/4D打印等技术，结构电池可以直接集成到目标器件的机械框架中。

多界面耦合与集成

鉴于PMESDs固有的多组分架构（包括电极材料、粘结剂、导电添加剂、电解质、互连器和集流体），确保各种界面的兼容性和稳定性对于实现PMESDs的柔韧性、可拉伸性、可折叠性、无缝集成和形状多样化等功能至关重要。为解决这些挑战，研究人员开发了强化界面工程策略，包括在微电极内引入柔性骨架框架和使用具有 superior 渗透能力的凝胶电解质。这种方法不仅减轻了机械变形下的组分分层，还显著增强了界面鲁棒性。为开发紧凑、高度集成的储能模块，一种无缝多界面设计策略已成为一种引人注目的方案。该策略允许使用高导电性墨水，在共同基底上一步兼容地制造微电极、导电连接器和集流体，从而消除了传统逐层集成通常带来的冗余界面。多界面协同调控的概念可以进一步扩展到构建完全集成的微系统，在一个统一的平面平台内包含能量收集、存储和利用功能。例如，可以实现集成的太阳能电池-MSC-传感器系统，达成能源自给自足。

AI辅助的PMESDs设计

AI在PMESDs设计和运行中的集成正逐渐受到关注。在材料发现方面，监督学习模型（包括随机森林、核岭回归和深度神经网络）被用于从化学成分和晶体学特征预测关键材料参数，如离子电导率、电压窗口、界面电阻和结构兼容性。这加速了针对平面结构优化的电解质、电极材料和异质结构的识别。在操作环境中，由AI驱动的能源管理单元可以动态监控实时负载需求和环境刺激（如光和振动），从而智能决策电源路由、能量收集优先级或模式切换。此外，物理信息机器学习和数字孪生框架正被用于模拟PMESDs的老化过程、热行为和电化学降解。这些模型有助于预测故障模式，并通过预测性维护和智能调度延长器件寿命。

综上所述，PMESDs的独特架构实现了先进的离子迁移机制，其特征是水平和多方向的离子传输以及增强的界面耦合。这些独特特性促进了高倍率性能和高集成度能力，有效克服了传统架构的局限性。通过全面的系统级优化，PMESDs可以被定制并集成到灵活的多功能平台中。这种方法不仅完善了下一代PMESDs的设计范式，而且为其在AI驱动的电子器件（包括物联网、柔性电子、植入式医疗设备和仿生技术）中的应用奠定了坚实的基础。这项研究由中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队完成，得到了国家自然科学基金等多个项目的资助，标志着我们在为智能微观世界构建强大“心脏”的征程上迈出了关键一步。