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北理工在无线充电微型超级电容器方面取得进展


近日,北京理工大学化学与化工学院博士生高畅以第一作者身份在Nature Communications期刊发表题目为“A seamlessly integrated device of micro-supercapacitor and wireless charging with ultrahigh energy density and capacitance”的研究论文,于2021年5月11日在线发表,论文链接:http://www.nature.com/articles/s41467-021-22912-8。北京理工大学为第一通讯单位,北京理工大学化学与化工学院赵扬特别研究员和清华大学化学系曲良体教授为共同通讯作者,北京理工大学机械与车辆学院姜澜教授为本研究的合作者。本研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和北京市自然科学基项目等支持。

可穿戴型电子设备的发展使柔性便携式微型储能器件的研究变得尤为重要。目前,储能微器件与常规充电设备在充电过程中的连接还未找到有效的连接方式,因为常规的充电过程需要体积较大的电线与微型器件连接,这严重影响了微器件使用的便捷性。若用非接触式充电方式代替传统的充电方式,可消除繁琐的电路连接程序,从而提高储能微器件在微型无人机和微型探测系统中的实用性。此外,微型电子设备的发展目前还处于探索阶段,其主要挑战在于难以摆脱微型电子器件的外部连接和电极在充电时物理接触的磨损,因此如何得到可无线充电的高度集成化和高性能的微型储能设备是未来微电子的一个发展方向。

微型超级电容器(MSCs)因其充放电速度快、功率密度高、循环稳定性好等优点,在无线充电的储能微器件中倍受瞩目。然而,在现有的无线充电模式中,由于缺乏合适的兼容性的加工材料,无线充电的微型超级电容器难以作为整体器件应用到实际生产过程中,并且器件的完整性、柔性、能量传输效率均容易在应用中受影响,这些都很难在大容量无线充电微设备的发展中被突破。

图2 一体化无线充电微型超级电容器的设计原理、制备及展示

为实现非接触式充电和快速大功率供能的效果,该研究者研发了一种平面同轴结构的无缝集成的无线充电的微型超级电容器(IWC-MSCs)。该器件用活性炭涂覆的石墨纸经激光刻蚀而成,由三个指状组合型MSCs平行连接(芯片的中心,图2a蓝色部分)和具有一定圈数的无线充电线圈(芯片的外部,图2a桔色部分)组成。共享电极(图2a中的紫色线)用于连接MSC和WCC。有趣的是,研究者发现共享电极不仅可以充当线圈的导线从磁场中收集能量,而且还可用作三个并联的MSC的电极(图2a中的蓝线)。这主要是由于石墨纸(GP)具有低电阻、高电导率、出色的耐腐蚀性、低产热量以及较高的工作电压的优点,即使在密封环境中,与金属基线圈(如铜线圈)相比,石墨线圈作为IWC-MSC中的一个电极在电解质中工作时也更稳定。因此,研究者选择将石墨作为无线充电线圈和MSC电极一体化器件的制备原料。

这种设计模式使该一体化器件在磁场中既具有无线充电能力,又有效缩短了不同的组件的连接距离,降低了整个器件的电阻。此外,平面型一体化器件有良好的柔韧性,可在90度弯曲状态下保持良好的电化学性能,且其厚度远低于商业薄膜电容器。

图3 一体化器件中MSC的优化过程及优化后的电化学性能。

通过对该一体化器件中微型超级电容器和无线充电线圈结构的优化,该工作得到了能量密度最大为463.1 μWh cm-2的微型超级电容器,该能量密度高于混合微型超级电容器在内的所有平面型微型超级电容器甚至是商用薄膜电池(350 μWh cm-2)。

研究者认为MSC具有高能量密度和高电容值的主要原因有以下几点:1.离子液体电解质的宽电压窗口大大提高了电容器的能量密度;2. 电解液离子与电极之间的静电相互作用使电容器的储能作用大大提高,并且小部分的[EMIM]+离子在2.2 V的电压下插入到石墨层间,提供了额外的赝电容,同样增加了电容器的容量;3. 活性炭具有的高比表面积是高能量密度的关键。此外,活性炭和石墨在两个电极上的等量组合是混合器件最佳高性能比例。

图4 无线充电系统的电路图及工作原理。

之后,研究者将该一体化器件作为无线接收器用于无线充电系统中,检测其充电和储能性能。

图5 一体化器件作为电源与电动玩具车进行组装。

最后,将一体化器件与电动玩具车进行组装后放置在无线发射器附近,通过自身的无线线圈进行无线充电。经无线充电6分钟后, 一体化器件的总能量和功率输出分别达0.18 mWh和45.9 mW,拨动开关释放电容器中存储的能量可立即驱动电动玩具车奔跑(图5)。该研究为非接触式微电子学和柔性微型机器人的研究带来了新思路,有望推动便携式微型电子器件的发展。

附个人简介:

高畅:化学与化工学院2019级博士生,导师为曲良体教授,第二导师为赵扬特别研究员。2016-2019年,在曲良体教授课题组攻读硕士学位。2019年-至今在该课题组攻读博士学位。自2016年至今,以第一作者身份在Journal of Materials Chemistry A 期刊发表论文2篇,在ChemSusChem期刊发表论文1篇(3人共同一作,排第一),发表授权专利1项,进入实质性审查专利1项;在读期间获北京理工大学研究生科技创新基金(项目申请人),和北京理工大学“优秀研究生标兵”“优秀团干部”、化学与化工学院“三好学生”等荣誉称号。

赵扬,北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。以第一或通讯作者身份发表SCI论文40余篇,其中包括JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano等,累计共发表SCI论文90余篇,ESI高被引论文4篇,文章引用次数达万余次,授权专利4项,其中1项成果已经进行产业化。主持多项国家自然科学基金及北京市自然科学基金项目,同时参与多项国家重大基础研究发展(973)计划课题、重点研发计划项目等。入选2017北京市自然科学基金优秀青年人才。


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