一体化无线充电的微型超级电容器

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

可穿戴型电子设备如智能手表手环等越来越方便了人们的生活，那么穿戴型的电子设备能否通过非接触的方式进行充电呢？近日，清华大学曲良体教授、北京理工大学赵扬特别研究员通过巧妙的图案设计和材料选择，将微型超级电容器与无线充电线圈无缝衔接，得到了一体化无线充电的高性能微型超级电容器，经几分钟无线充电后，可直接驱动电动玩具车。

可穿戴型电子设备的发展使柔性便携式微型储能器件发展的重要性日益凸显。目前，可穿戴型储能微器件还未找到有效的充电方式，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，因此微型储能器件与非接触式充电，如无线充电集成显得尤为重要。

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，现有的无线充电的微型超级电容器由于缺乏合适的兼容性的加工材料难以应用到实际生产过程中，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。

针对以上问题，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1a蓝色部分）和具有一定圈数的无线充电线圈（芯片的外部，图1a桔色部分）组成。共享电极（图1a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1a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1. 一体化无线充电微型超级电容器的设计原理、制备及展示。图片来源：Nat. Commun.

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）。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，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，释放电容器中存储的能量可立即驱动电动玩具车奔跑（图2）。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。

图2. 一体化器件作为电源与电动玩具车进行组装。图片来源：Nat. Commun.

这一成果发表在Nature Communications 期刊上，本文第一作者为北京理工大学化学与化工学院博士研究生高畅。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A seamlessly integrated device of micro-supercapacitor and wireless charging with ultrahigh energy density and capacitance

Chang Gao, Jiancheng Huang, Yukun Xiao, Guoqiang Zhang, Chunlong Dai, Zengling Li, Yang Zhao, Lan Jiang, Liangti Qu

Nat. Commun., 2021, 12, 2647, DOI: 10.1038/s41467-021-22912-8

导师介绍

曲良体，清华大学化学系教授，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者。在Science、Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引近万次，单篇论文最高他引2500余次。受邀请在Nature Reviews Materials、Accounts of Chemical Research、Chemical Reviews等撰写综述论文20余篇，英文专著6章，国际国内发明专利30余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。主持科技部重点研发计划、国家基金委项目等多项。

http://www.chem.tsinghua.edu.cn/info/1096/2249.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/60338 

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38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8000余次，授权专利4项，其中1项成果已经进行产业化。1篇论文荣获2012年度“中国百篇最具影响国际学术论文”。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。入选北京市自然科学基金优秀青年人才。

https://cce.bit.edu.cn/szll/ayjscz/nmhxyjs/index.htm 

科研思路分析

Q：这项研究的想法是怎样产生的？

A：曲良体和赵扬团队首先想到用石墨纸材料作为无线充电线圈的材料，然后在实际操作过程中，发现石墨同时又可以作为储能器件的电极使用，因此便想到用石墨同时做微型超级电容器的电极。但在实际操作过程中发现石墨纸作为微型超级电容器的电极其电化学储能效果较差，因此研究者决定在石墨纸上涂覆活性炭来增加超级电容器的电化学性能。此时，由于无线线圈与微型超级电容器的材料相同，研究者便想到用图形设计将二者整合，以此可以减少接触点降低电阻。受到螺旋形微型超级电容器和螺旋形线圈的启发，研究者将相同形状的两个部件利用同心轴的方式，使微型超级电容器的电极与无线线圈的一部分合二为一，得到了一体化无缝集成的无线充电微型超级电容器（IWC-MSCs）。此外，又受益于这些碳材料出色的耐压性能和储能性能，便得到了有超高储能效果的一体化无线充电的微型超级电容器。