北理工課題組在無線充電纖維超級電容器方面取得進展
發(fā)布日期：2024-12-16 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生高暢和碩士生劉佳佳以共同第一作者在國際頂級期刊《Advanced Materials》（IF: 32）發(fā)表題目為“An Energy-Adjustable, Deformable, and Packable Wireless Charging Fiber Supercapacitor”的研究論文（DOI：10.1002/adma.202413292）,。北京理工大學(xué)為論文的第一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院趙揚特別研究員和清華大學(xué)曲良體教授為共同通訊作者,。
具有不同形狀和能量的可穿戴電子產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和體域網(wǎng)（BAN）中越來越受歡迎,，包括醫(yī)療保健監(jiān)測，體育訓(xùn)練和家用電子產(chǎn)品,。將無線充電和能量存儲相結(jié)合的柔性無線充電儲能器件（WC-ESDs）可以為這些可穿戴電子器件提供能量，而不必匹配接線端口或避免有線充電時因反復(fù)插拔造成的損壞問題,。然而,，開發(fā)對器件形狀和存儲能量具有高度可控性的無線充電儲能器件，不可避免地會遇到變形的問題,，這是由充電和儲能單元之間的機械兼容性以及電極的能量可調(diào)節(jié)能力決定的,。作為無線充電中的關(guān)鍵部件，銅,、金和銀由于其優(yōu)越的導(dǎo)電性常被選作無線充電線圈（WCC）的導(dǎo)電金屬絲,。然而，這些剛性金屬線圈不僅會與皮膚摩擦造成不適的體感和潛在的損傷,，而且較大的體積與人體能否舒適容納也成為問題,。此外，在WC-ESD中集成兩個獨立的WCC和ESD模塊還處于起步階段,。WCC和超級電容器在剛性,、形狀和材料上的不匹配容易導(dǎo)致WC-ESD在反復(fù)彎曲和扭曲過程中發(fā)生斷裂。為此，我們前期曾利用石墨/活性炭和聚（3, 4-乙撐二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸鹽）(PEDOT:PSS)/離子液體開發(fā)了無縫集成的平面無線充電超級電容器,，且器件內(nèi)WCC和超級電容器電極的機械性能一致,。纖維超級電容器具有優(yōu)異的線型形狀，通常具有優(yōu)異的機械柔性,。它還可以纏繞成無線充電線圈的螺旋狀,，在WC-ESD集成應(yīng)用方面具有很大的潛力。迄今為止,，已經(jīng)開發(fā)了許多纖維超級電容器,，但它們大多具有較低的能量密度(< 200 μWh cm-2)，不適合實際應(yīng)用,。
針對以上問題,，清華大學(xué)曲良體教授與北京理工大學(xué)趙揚特別研究員團隊聯(lián)合提出了一種具有形狀可調(diào)、可收納和能量可控的無線充電線圈和超級電容器（WC-SC）的集成纖維器件,。該集成器件僅由柔性碳纖維（CF）制成,，具有無線充電和能量存儲能力。形成的WC-SC可以發(fā)生大的形狀變形,，直徑從2 cm到20 cm不等,。由于具有超高的柔韌性，該器件可以被包裝成各種不規(guī)則的空間,，例如智能手環(huán),、圓盤狀寵物GPS和其他可穿戴電子器件。同時,，通過改變WC-SC的形狀可以方便地控制無線充電線圈的收集能量,，其中無線充電電流、電壓和功率的范圍分別為0.5 ~ 20 mA,、1.4 ~ 15.5 V和0.003 ~ 313 mW,。此外，WC-SC所構(gòu)建的超級電容器具有803 mF cm-2的面積容量和1004 μWh cm -2的能量密度,，高于大多數(shù)纖維超級電容器,。這種纖維型WC-SC具有形狀、尺寸和能量可控的能力,，可以適應(yīng)各種實際應(yīng)用場合,。大范圍變形模式為可穿戴電子和機器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)提供了前所未有的機會。
WC-SC是基于一根柔性碳纖維（CF）制備的,，其總長度為64 cm,。如圖1a所示，CF的一端作為WCC,，另一端作為SC電極的支撐和集流體,。對于WCC部分,，CF的一端用絕緣雙面膠覆蓋，賦予其形狀固定能力（圖1a,，左圖）,。而SC電極是將CF的另一端浸漬到氧化石墨烯(GO)和活性炭(AC)漿料（圖1a，右圖）的混合物中（浸漬電極長度為1.5 ~ 8.0 cm）,，然后在空氣中干燥并在高溫下加熱,，從而得到CF@rGO/AC復(fù)合材料。為了獲得完整的SC,，依次組裝了一塊濾紙隔膜和另一個相同的CF@rGO/AC電極（圖1b）,，然后滴加離子液體電解質(zhì)并用熱縮管包裹。圖1b插圖中WC-SC的電路圖對應(yīng)無線充電部分（如WCC）和儲能部分（如MSC）,。
圖1 WC-SC的組裝示意圖,。
對不同電極長度(1.5~8.0 cm )的超級電容器進行電化學(xué)性能評價。電極長度從1.5 cm到8.0 cm,，電容值從135 mF到1193 mF不等,。計算得到的面積、質(zhì)量和體積比電容值分別為803 mF cm -2,、11.7 F g - 1和11.0 F cm -3,。相應(yīng)地，SC的能量和功率隨著電極長度的增加而增加（圖2b）,，當(dāng)電極長度為8.0 cm時,，SC的能量和功率分別達到最大值1490 μWh和35.8 mW。此外,，SC可以很容易地進行串并聯(lián)組裝,，以滿足各種能源需求場景。圖2g和2h展示了三個1.5 cm長的SCs串聯(lián)和并聯(lián)的恒流充放電(GCD)和循環(huán)伏安(CV)曲線,，顯示出SC優(yōu)越的電化學(xué)性能,。
圖2 SC的電化學(xué)儲能性能
無線充電能力對于集成的WC-SC能否正常應(yīng)用于無線器件至關(guān)重要。對此,，研究了CF長度為62.5 cm,、長度質(zhì)量為3.9 mg/cm的WCC的無線充電性能,，如圖2所示,。
圖3 WCC無線充電性能表征。
由于WCC和SCs具有良好的機械柔韌性和電化學(xué)性能,，我們開發(fā)了一種可收納的高性能一體化WC-SC纖維器件（圖4）,。得益于形狀可變形和能量可控的特性，WC-SC可以轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N形態(tài)進行收納,。除此之外,，還可以通過調(diào)節(jié)集成WC-SC中WCC的長度來控制無線充電能量，實現(xiàn)對不同功率用電器供電。
圖4 集成WC-SC的無線充電性能及應(yīng)用,。
綜上所述,，該工作制備了一種形狀可調(diào)、可收納,、可控制能量的無線充電線圈和微型超級電容器集成纖維基器件,。WC-SC可以承受直徑從2 cm到20 cm不等的圓形形狀，并且可以變換尺寸從而收納在狹窄的不規(guī)則電器中,。WC-SC的收集能量范圍很廣（0.5~20mA,、1.4~15.5V、0.003~313mW）,，通過改變其形狀和尺寸進行精確控制,，足以滿足幾乎所有微電子器件的能量需求。此外,，WC-SC的微型超級電容器具有803 mF cm-2的優(yōu)異面積容量和1004 μWh cm-2的能量密度,，優(yōu)于大多數(shù)電化學(xué)超級電容器。這項工作為可變形和可調(diào)的能量收集可穿戴電子器件提供了巨大的潛力,，并為未來空間受限的復(fù)雜情況提供了一種可收納和能量控制的無線充電電子器件解決方案,。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202413292
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