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引言
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远程传感器网络在环境监测、农业和灾害响应应用中发挥着重要作用。预计到2041年，无线传感器节点的部署量将超过15亿个，对可靠、安全和长效的电源需求日益增长。传统电池如锂离子电池虽能提供稳定的输出功率，但由于含有毒性材料且存在热失控风险，对环境构成严重威胁。
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金属空气电池是一种理想的替代方案，能量密度是锂离子电池的30倍，且可使用水等天然电解质。但这种电池面临一个主要限制：与电解质接触会形成金属氧化物，导致自放电，通常在2-7天内使电池无法工作[1]。1 x, v. `- S) R f- j
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& d) a6 R4 x$ G$ K% b图1：展示了(A)电池在疏水和亲水状态之间的转换，以及(B)通过功率产生占空比延长寿命的概念。3 B4 R0 n/ ~( |) R
技术创新与工作原理
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5 m# w- }) M% `核心创新在于通过润湿性转换机制控制电解质的进入。系统采用悬浮铜网层，自然形成氧化铜(Cu2O)涂层使表面呈疏水性。当施加低电压信号(2.35V)时，通过电解去除氧化层，使表面转变为亲水状态，允许电解质流动。9 U0 A& i, T) i$ J' M# T- { e& \
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图2：系统结构细节，显示(A)电池两层的示意图和(B)关键尺寸的横截面视图。8 x7 F6 u; |7 a0 v* u9 K9 e" A
器件结构与设计
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电池系统采用双层设计，优化润湿性控制和功率产生。顶部准入层由硅基底上的铜微网构成，具有宽度100μm、间距300μm的通孔。这种微结构设计可有效控制水性电解质流动。
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( J* {" e' U9 O/ z+ \4 p底层设计为交叉式金属空气电池，使用铝作为阳极，铂作为阴极。为提高功率密度，铝电极采用高50μm、宽60μm的玻璃微柱阵列，覆盖铝层，有效使表面积翻倍。
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! c/ H4 O3 p9 R8 O* I9 Q+ g$ K图3：微加工工艺流程，展示(A)带微柱电极的电池层，(B)带铜基电解质通道的准入层，以及(C)完整封装器件组装。8 H0 D7 f/ F5 p4 c) A' y* c! c
实验结果与性能分析
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( T. b8 Y1 Y5 X# i4 A2 q) K通过多项测试验证了润湿性转换机制的有效性。表面分析证实，施加电压成功去除约80%的表面氧化物，实现从疏水到亲水状态的转变。
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图4：扫描电镜分析显示(A)准入层俯视图，(B)氧化物去除后的表面改性，以及(C)表面变为亲水性后的吸水演示。$ S! k+ r& x1 ^8 T* D) F& }
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接触角测量证实了电压诱导的润湿性转换效果。初始接触角为103.5°，施加2.35V电压20秒内降至31.8°，确认转变为亲水状态。
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图5：接触角测量显示在2.35V电压下从疏水到亲水状态的转变，及30分钟后恢复疏水状态。
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时序分析显示对电池激活周期的精确控制。施加电压后，表面在20秒内转变，允许吸水和电池激活。电压移除后，表面在20-30分钟内逐渐恢复疏水状态。
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图6：综合时序图，说明电压施加、接触角变化和电池激活/关闭循环。
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性能表征显示出显着结果，图案化阳极设计实现功率密度1.3 mW/cm2，约为普通阳极结构的两倍。: |8 j$ L" ]% ^
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图7：性能分析显示(A)不同阳极设计的电容器充电对比，和(B)基于实验数据的寿命预测。0 w0 L! v# {4 {) F3 p$ Y
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本创新方法在保持环境安全的同时，显着延长了金属空气电池寿命。系统实现约1.1 mW/cm2的功率密度，激活-检测循环在30分钟内完成，为远程传感应用的可持续电源提供了技术进步。
& `/ ^+ m2 y1 p: l0 |8 J参考文献
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[1] F. S. Sium, S. Tran, K. R. Mahmud, A. Nikeghbal, S. Noh, C. Mastrangelo, and H. Kim, "Low power switching of a metal air battery towards extended lifetime," in 2025 IEEE 36th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 72-75.
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