北理工在無線充電微型超級電容器方面取得進展


近日,北京理工大學化學與化工學院博士生高暢以第一作者身份在Nature Communications期刊發表題目為“A seamlessly integrated device of micro-supercapacitor and wireless charging with ultrahigh energy density and capacitance”的研究論文,于2021年5月11日在線發表,論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22912-8。北京理工大學為第一通訊單位,北京理工大學化學與化工學院趙揚特別研究員和清華大學化學系曲良體教授為共同通訊作者,北京理工大學機械與車輛學院姜瀾教授為本研究的合作者。本研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金和北京市自然科學基項目等支持。

可穿戴型電子設備的發展使柔性便攜式微型儲能器件的研究變得尤為重要。目前,儲能微器件與常規充電設備在充電過程中的連接還未找到有效的連接方式,因為常規的充電過程需要體積較大的電線與微型器件連接,這嚴重影響了微器件使用的便捷性。若用非接觸式充電方式代替傳統的充電方式,可消除繁瑣的電路連接程序,從而提高儲能微器件在微型無人機和微型探測系統中的實用性。此外,微型電子設備的發展目前還處于探索階段,其主要挑戰在于難以擺脫微型電子器件的外部連接和電極在充電時物理接觸的磨損,因此如何得到可無線充電的高度集成化和高性能的微型儲能設備是未來微電子的一個發展方向。

微型超級電容器(MSCs)因其充放電速度快、功率密度高、循環穩定性好等優點,在無線充電的儲能微器件中倍受矚目。然而,在現有的無線充電模式中,由于缺乏合適的兼容性的加工材料,無線充電的微型超級電容器難以作為整體器件應用到實際生產過程中,并且器件的完整性、柔性、能量傳輸效率均容易在應用中受影響,這些都很難在大容量無線充電微設備的發展中被突破。

圖2 一體化無線充電微型超級電容器的設計原理、制備及展示

為實現非接觸式充電和快速大功率供能的效果,該研究者研發了一種平面同軸結構的無縫集成的無線充電的微型超級電容器(IWC-MSCs)。該器件用活性炭涂覆的石墨紙經激光刻蝕而成,由三個指狀組合型MSCs平行連接(芯片的中心,圖2a藍色部分)和具有一定圈數的無線充電線圈(芯片的外部,圖2a桔色部分)組成。共享電極(圖2a中的紫色線)用于連接MSC和WCC。有趣的是,研究者發現共享電極不僅可以充當線圈的導線從磁場中收集能量,而且還可用作三個并聯的MSC的電極(圖2a中的藍線)。這主要是由于石墨紙(GP)具有低電阻、高電導率、出色的耐腐蝕性、低產熱量以及較高的工作電壓的優點,即使在密封環境中,與金屬基線圈(如銅線圈)相比,石墨線圈作為IWC-MSC中的一個電極在電解質中工作時也更穩定。因此,研究者選擇將石墨作為無線充電線圈和MSC電極一體化器件的制備原料。

這種設計模式使該一體化器件在磁場中既具有無線充電能力,又有效縮短了不同的組件的連接距離,降低了整個器件的電阻。此外,平面型一體化器件有良好的柔韌性,可在90度彎曲狀態下保持良好的電化學性能,且其厚度遠低于商業薄膜電容器。

圖3 一體化器件中MSC的優化過程及優化后的電化學性能。

通過對該一體化器件中微型超級電容器和無線充電線圈結構的優化,該工作得到了能量密度最大為463.1 μWh cm-2的微型超級電容器,該能量密度高于混合微型超級電容器在內的所有平面型微型超級電容器甚至是商用薄膜電池(350 μWh cm-2)。

研究者認為MSC具有高能量密度和高電容值的主要原因有以下幾點:1.離子液體電解質的寬電壓窗口大大提高了電容器的能量密度;2. 電解液離子與電極之間的靜電相互作用使電容器的儲能作用大大提高,并且小部分的[EMIM]+離子在2.2 V的電壓下插入到石墨層間,提供了額外的贗電容,同樣增加了電容器的容量;3. 活性炭具有的高比表面積是高能量密度的關鍵。此外,活性炭和石墨在兩個電極上的等量組合是混合器件最佳高性能比例。

圖4 無線充電系統的電路圖及工作原理。

之后,研究者將該一體化器件作為無線接收器用于無線充電系統中,檢測其充電和儲能性能。

圖5 一體化器件作為電源與電動玩具車進行組裝。

最后,將一體化器件與電動玩具車進行組裝后放置在無線發射器附近,通過自身的無線線圈進行無線充電。經無線充電6分鐘后, 一體化器件的總能量和功率輸出分別達0.18 mWh和45.9 mW,撥動開關釋放電容器中存儲的能量可立即驅動電動玩具車奔跑(圖5)。該研究為非接觸式微電子學和柔性微型機器人的研究帶來了新思路,有望推動便攜式微型電子器件的發展。

附個人簡介:

高暢:化學與化工學院2019級博士生,導師為曲良體教授,第二導師為趙揚特別研究員。2016-2019年,在曲良體教授課題組攻讀碩士學位。2019年-至今在該課題組攻讀博士學位。自2016年至今,以第一作者身份在Journal of Materials Chemistry A 期刊發表論文2篇,在ChemSusChem期刊發表論文1篇(3人共同一作,排第一),發表授權專利1項,進入實質性審查專利1項;在讀期間獲北京理工大學研究生科技創新基金(項目申請人),和北京理工大學“優秀研究生標兵”“優秀團干部”、化學與化工學院“三好學生”等榮譽稱號。

趙揚,北京理工大學化學與化工學院特別研究員、博士生導師。以第一或通訊作者身份發表SCI論文40余篇,其中包括JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano等,累計共發表SCI論文90余篇,ESI高被引論文4篇,文章引用次數達萬余次,授權專利4項,其中1項成果已經進行產業化。主持多項國家自然科學基金及北京市自然科學基金項目,同時參與多項國家重大基礎研究發展(973)計劃課題、重點研發計劃項目等。入選2017北京市自然科學基金優秀青年人才。


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