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黑科技！最新《Nature》子刊成果！日常生活将被重塑！

2021-06-09 15:42:58 9 860

研究背景

“无线”一直以来都是手机不懈追求的目标之一，因为手机本身就是为了“抛弃”电话线而诞生的。虽然说手机通过无线通讯技术抛弃了电话线/网线，之后又通过蓝牙技术的升级“抛弃”了有线耳机，现在智能手机唯一必须用到的线缆就是充电线了。很多小伙伴可能觉得携带手机充电线非常麻烦，有时忘了带以至于出现3%电量焦虑，然而随着无线充电技术的成熟，充电线或许也不再是“必需品”了。

具有灵活性和便携性的小型储能设备在下一代电子产品的开发中变得越来越重要。一般来说，储能微器件和常规电源设备仍然需要找到高效的连接方式来完成充电过程，这与微器件的初衷和未来发展背道而驰。为此，用非接触充电取代传统供电模式，可以通过消除繁琐的电路外部连接程序，增强微型无人机、微型电动汽车和微型检测系统中的储能微型器件的实用性。

结合能量存储和无线充电功能的微器件可以定义为集成无线充电能量存储微器件。在目前的研究阶段，这些无线充电微器件一直在探索摆脱微电子设备不必要的外部连接和可预见的物理电极接触损伤，实现高集成度和高性能，实现先进应用的多种可能性。

值得注意的是，系统的无线充电能力是影响微器件整体能量的关键因素之一，这在很大程度上取决于感应电磁能量的线圈的结构和电导率。因此，为了在集成的基础上实现高性能，许多具有高接收电流的天然金属和金属基复合材料被广泛应用于当前的无线充电微器件中。然而，这些金属线圈容易氧化和腐蚀，导致寿命缩短13–15年。此外，它们的高热损失将消耗大量电能，降低实际利用率。对无线充电微器件的早期研究也表明，由于金属线圈和电极的粗略组装，接头能耗高，集成微器件结构脆弱。从理论上讲，成本低、稳定性好、耐腐蚀、导电性高的碳材料可以获得与金属线圈相似的性能，同时克服它们的缺点。然而，由于缺乏有效的结构设计和组装协议，高性能无金属线圈在无线充电微器件中的工程实现受到现有材料系统的阻碍。

微型超级电容器(MSCs)在无线充电存储微型器件中特别有吸引力，因为它们具有快速的充电和放电速率(适应可变电压)、高功率密度(大驱动力)和出色的循环稳定性。然而，由于在现有的无线充电模式下缺乏合适的材料工程兼容性，无线充电MSCs的最新版本很难在进一步的实际应用中作为整体设备使用。除了降低整体性和灵活性之外，能量输出也容易受到影响，更不用说在无线充电微器件的高容量方面获得可能的突破。

研究成果

集成能量存储和无线充电的微型设备可以为电子设计创造机会，例如可移动充电。近日，北京理工大学赵扬特别研究员、清华大学曲良体教授等研究人员报道了无缝集成的无线充电微型超级电容器，它利用了设计的高度一致的材料系统，无线线圈和电极都是石墨纸。无线充电的传输功率效率为52.8%。得益于独特的电路结构，完整的器件显示出低电阻和出色的电压耐受性，电容为454.1 mF·cm-2，优于最先进的传统平面微超级电容。此外，创纪录的463.1 μWh·cm-2的高能量密度超过了现有的金属离子混合微型超级电容器甚至商用薄膜电池(350 μWh·cm-2)。充电6分钟后，集成装置达到45.9毫瓦的功率输出，可以立即驱动电动玩具车。这项工作为非接触微电子和灵活的微机器人技术带来了新的见解。相关研究工作以“A seamlessly integrated device of micro-supercapacitor and wireless charging with ultrahigh energy density and capacitance”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

图文速递

图1 Integrated wireless charging MSCs (IWC-MSCs) 集成无线充电管理系统的设计、制造和电子照片

图2 集成装置中单个微型超级电容器Micro-supercapacitors (MSCs)的电化学性质

在这项工作中，作者提出了一种无缝集成的无线充电MSCs (IWC-MSCs)，IWC，integrated wireless charging集成无线充电，Micro-supercapacitors (MSCs)微型超级电容器，它利用了设计的高一致性材料系统，即无线线圈和电极是相同的材料来源。结合集成电路设计，IWC-MSCs可以达到完整的结构、低电流消耗和高电压耐受性。此外，所得IWC-MSCs具有454.1 mF·cm^-2的非常高的面积电容，优于先前报道的传统平面MSCs。除了3 V的宽电位范围之外，IWC-MSCs器件还显示出创纪录的463.1 μWh cm^-2的高能量密度，甚至大于商用薄膜电池(350 μWh cm^-2)。此外，IWC-MSCs可以驱动电动玩具汽车，无线充电仅6分钟，表明在实际应用中的巨大潜力。

图3 提高设备中间MSCs性能的过程和措施

图4 无线充电系统的电路图和工作原理

为了评估集成设备的无线充电性能，作者研究了IWC-MSCs的充电和放电能力。通常，无线充电系统由发射部分和接收部分组成，如图4a、b的电路图所示。这里，发射部分主要依靠由方形铜线制成的方形线圈，其可以由10 V直流电源充电。例如，IWC-SMSCs装置用作接收部分(图4b中的紫色线)，其与外部LED灯泡连接以检测放电信号。无线充电机制遵循电磁感应原理，导致磁场能量转化为电能。在无线充电过程中，发射电路首先在L1传输交流电(图4a)，在附近产生可变磁场。然后，天线(图4b中的L2)检测磁场，并在接收部分中感应出交变磁通量和电流。为了实现稳定的充电过程，整流二极管(图4b中的D1in)用于将交流电整流成直流电，当连接“m”和“p”点(i)，无线充电开始(图4c)。WCC产生的大量电荷储存在IWC-SMCs的SMCs中。随着充电时间的进行，SMSC中感测到的整流电流逐渐减小，并且感应电荷稳定地累积，这表明磁场能量被WCC转换成电能，并且电被保留在SMSC中。相反，当开关“p”到“q”点(ii)时，放电过程开始(图4d)。存储在单片机中的电荷被释放并点亮红色发光二极管(图4d中的D2in)。

图5 IMC-IMSCs为电源与电动玩具汽车组装

无线充电MSCs的高性能和集成化使其具有应用于实际移动电子设备的能力。作者发现，电动玩具汽车的启动电流为2.2毫安，可以很容易地通过制造的IMSCs直接替代商用柱状电池(如AA电池)供电。如图5a、5b所示，铜箔被用作导线以粘附在IWC-IMSCs上，对应于m、n、o点。类似于图4b中电路的结构，“n”点的铜箔与整流二极管连接，而“o”点的铜箔与汽车的电动机组装在一起。无线充电和放电过程通过使用电路图中的开关(“m”点)来控制。图5c、d展示了IWC-IMSCs在商用玩具车上的照片(正面和背面)。这种集成式无线充电储能装置无需复杂的固定附件即可轻松附着在汽车外部，表明其具有良好的环境适应性和可操作性。为了完成无线充电过程，带有IWC-IMSCs的汽车被用作无线接收器，并放置在发射器附近(图5e)。当开关处于“p”点时，汽车的IWC-IMSCs通过磁场中的天线充电。无线充电6分钟后，WCC感应电荷达到~312.5 mC。同时，IWC-IMSCs的整体能量和功率输出分别达到0.18 mWh和45.9 mW，一旦切换到“q”点，就可以立即驱动电动玩具车(图5f)。

结论与展望

在这项研究中，作者通过一个巧妙设计的模式开发了集成和灵活的无线充电MSCs装置，用于无线充电和快速储能。这种设计使IWC-MSCs具有无缝接触结构，并凭借单一石墨材料具有高导电性和耐腐蚀性。此外，IWC-IMSCs制备的IMSCs具有超高的面电容(454.1 mF·cm^-2)和创纪录的高能量密度(463.1 μWh·cm^-2)，优于报道的平面MSCs。此外，在用电动玩具车组装IWC-IMSCs时，只需6分钟的无线充电，汽车就可以立即驾驶并快速行驶。这项工作不仅启发了集成电子器件制造的设计，而且提高了微型和便携式电子设备的便利性。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22912-8

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