微电池技术的进步推动了器件的微型化与片上集成进程，可将储能单元直接嵌入半导体衬底，为便携式电子设备提供高集成度的电源解决方案。这一技术进展满足了物联网传感器、可穿戴设备等多类应用场景日益增长的需求。然而，相较于商用锂离子电池，微电池仍处于早期发展阶段，仍需在材料科学、制造工艺及结构工程领域实现技术突破，以提升器件性能。全面理清这些关键环节，对推动微电池领域的发展至关重要。近日，余林蔚教授团队在期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“The Evolution and Integrated Systems of Microbatteries”的重要综述。研究团队深入探讨了微电池技术的发展历程，重点聚焦纳米结构体系的关键技术突破，尤其关注薄膜电池架构与自对准纳米线生长工艺。基于微电池当前的发展现状，本文提出了未来的重点研究方向，特别强调高密度集成阵列与柔性微电池两大领域，为进一步提升微电池性能提供战略指引。
图1.微电池的发展、制备、集成及应用
微电池的发展与制造
微电池作为支撑微型电子设备与集成系统的核心储能单元，其发展始终与微型化、柔性化及高能量密度需求紧密相连。早期研究主要集中于对传统锂离子电池体系的尺寸缩减，而近年来，随着材料科学与微纳制造技术的进步，微电池的设计与制造呈现出多技术路径并行的态势。例如，基于物理气相沉积或原子层沉积技术制备的全固态薄膜电池，通过纳米级电极与电解质层的精确堆叠，在亚毫米厚度内实现了优异的循环稳定性与高功率输出，已成功应用于智能卡、微型传感器及医疗植入设备。与此同时，以三维纳米结构（如纳米线阵列、介孔框架）为基础的微电池，通过构建高比表面积电极界面，显著提升了活性物质负载量与离子传输动力学，在保持微小体积的同时大幅提高了能量密度。此外，印刷电子技术与柔性衬底的结合，催生了可拉伸、可弯曲的微电池系统，为可穿戴设备提供了定制化储能解决方案。
图2. 典型微电池技术发展路线图
图3.3D薄膜微电池
图4. 纳米线结构
图5. 纳米线微电池
图6.微电池制造工艺
微电池的应用与集成
微型电子器件的快速发展，以及市场对自主化、便携式、可持续电源日益增长的需求，使得微电池成为现代技术生态体系中的关键核心器件。随着技术的不断进步，微电池的应用早已突破传统范畴，渗透至物联网、可穿戴设备、医疗植入器械、智能传感器以及微机电系统等诸多领域。然而，将微电池集成至这类系统的过程中，也面临着诸多独特挑战，包括能量密度优化、规模化制造以及与异质衬底的兼容性等问题。通过搭建储能技术与器件功能之间的桥梁，微电池的集成应用正不断拓展小型化、自供能技术的发展边界，为消费电子与工业领域的下一代技术创新铺平道路。
图7.微电池在系统级芯片中的应用
图8.微电池在可植入式生物医疗中的应用
图9.微电池大规模集成化发展
文章总结
本文详细梳理了微电池技术的发展历程，重点聚焦纳米结构体系的关键技术突破，尤其关注薄膜电池架构与自对准纳米线生长工艺。此外，综述还深入探讨了人工智能技术在微电池领域的融合应用，同时对先进制备工艺与性能优化策略展开研究。在此基础上，本文对多个典型应用场景进行了系统性分析。基于微电池当前的发展现状，本文提出了未来的重点研究方向，特别强调高密度集成阵列与柔性微电池两大领域，为进一步提升微电池性能提供战略指引。最后，本文阐明了该领域面临的核心挑战与技术攻关路径，既深化了对现有技术范式的认知，也为未来创新发展奠定了理论基础。
该工作第一作者为南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院王胜老师（2022.12-2025.07以优秀青年讲师身份受聘于苏州大学未来科学工程学院，并于2025年7月加入南京邮电大学电光学院）。通讯作者为王胜老师，南京大学电子科学与工程学院副研究员宋晓攀和余林蔚教授。该工作的开展得到了南京大学陈坤基教授，徐骏教授，王军转教授以及苏州大学王明湘老师的支持，苏州大学电子信息学院徐华健同学对本文做出重要贡献。该工作受到国家自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、江苏省卓越博士后、中国博士后特别资助、中国博士后面上项目等多项基金的大力资助，在此一并表示衷心的感谢！
论文信息：Sheng Wang*, Huajian Xu, Xiaopan Song*, Yang Gu, Linwei Yu*. The Evolution and Integrated Systems of Microbatteries.
链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202524957
前期相关工作：
1. Scalable Integration of High Sensitivity Strain Sensors Based on Silicon Nanowire Spring Array Directly Grown on Flexible Polyimide Films. Xiaopan Song, Yang Gu, Sheng Wang*, Junyu Fan, Junyang An, Lei Yan, Bin Sun, Junzhuan Wang, Linwei Yu*, Nano Lett. 25 (2025) 2290-2297.
2. Highly Stretchable High-Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors Integrated on Elastomer Substrates. Xiaopan Song, Ting Zhang, Lei Wu, Ruijin Hu, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*, Adv. Sci. 9 (2022) e2105623.
3. Step-necking growth of silicon nanowire channels for high performance field effect transistors. Lei Wu, Zhiyan Hu, Lei Liang, Ruijin Hu*, Junzhuan Wang*, Linwei Yu*, Nat. Commun. 16 (2025) 965.
4. Flexible silicon for high-performance photovoltaics, photodetectors and bio-interfaced electronics. Shuyi Wang, Xiaopan Song*, Jun Xu*, Junzhuan Wang, Linwei Yu*, Mater. Horiz. 2025,12, 1106.
5. Nanowire-Based Flexible Sensors for Wearable Electronics, Brain-Computer Interfaces, and Artificial Skins. Xiaopan Song#, Yang Gu#, Sheng Wang*, Junzhuan Wang, Linwei Yu*, Electron. 2025, 3, 2.
6. Huajian Xu, Xiaopan Song*, Yang Gu, Junyu Fan, Jincheng Liu, Sheng Wang*. Failure Mechanisms and Design Strategies for Low-Temperature Solid-State Metal Batteries.J. Mater. Chem. A, 2025, 13, 10388-10414.
7. Sheng Wang *, Jincheng Liu, Xiaopan Song *, Huajian Xu, Yang Gu, Junyu Fan, Bin Sun, Linwei Yu*. Artificial Intelligence Empowers Solid‑State Batteries for Material Screening and Performance Evaluation. Nano-Micro Letters. 2025, 17, 287.
8. Sheng Wang, Ke Xu, Hucheng Song*, Ting Zhu, Zhiqian Yu, Xiaopan Song, Dongke Li, Linwei Yu, Jun Xu*, Kunji Chen. A High-Energy Long-Cycling Solid-State Lithium Metal Battery Operating at High Temperatures, Advanced Energy Materials, 2022, 12(38): 2201866.
9. Sheng Wang, Hucheng Song*, Xiaoying Song, Ting Zhu, Yipeng Ye, Jiaming Chen, Guozhi Hou, Linwei Yu, Jun Xu*, Kunji Chen. An extra-wide temperature all-solid-state lithium-metal battery operating from -73 ℃ to 120 ℃, Energy Storage Materials, 2021, 39, 139-145.
10. Sheng Wang, Hucheng Song*, Ting Zhu, Jiaming Chen, Zhiqian Yu, Pengfei Wang, Linwei Yu, Jun Xu*, Haoshen Zhou, Kunji Chen. An ultra-low-charge-overpotential and long-cyclelife solid-state Li-CO2 battery enabled by plasmon-enhanced solar photothermal catalysis, Nano Energy, 2022, 107521.
11. Sheng Wang, Jue Wang, Jingjing Liu, Hucheng Song*, Yijie Liu, Pengfei Wang, Ping He*, Jun Xu, Haoshen Zhou*. Ultra-fine surface solid-state electrolytes for long cycle life all-solid-state lithium–air batteries. J. Mater. Chem. A,2018, 6, 21248.
12. Hucheng Song, Sheng Wang, Xiaoying Song, Jue Wang, Kezhu Jiang, Shihua Huang, Min Han, Jun Xu*, Ping He*, Kunji Chen, Haoshen Zhou*. Solar-driven all-solid-sate lithium-air batteries operating at extreme low temperatures. Energy Environ. Sci.,2020, 13, 1205-1211.