圖 1

可穿戴型電子設(shè)備的發(fā)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(guī)充電設(shè)備在充電過程中的連接還未找到有效的連接方式，因?yàn)槌Ｒ?guī)的充電過程需要體積較大的電線與微型器件連接，這嚴(yán)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?zhèn)鹘y(tǒng)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(jī)和微型探測系統(tǒng)中的實(shí)用性。此外，微型電子設(shè)備的發(fā)展目前還處于探索階段，其主要挑戰(zhàn)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(shè)備是未來微電子的一個發(fā)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(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在無線充電的儲能微器件中倍受矚目。然而，在現(xiàn)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(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中，并且器件的完整性、柔性、能量傳輸效率均容易在應(yīng)用中受影響，這些都很難在大容量無線充電微設(shè)備的發(fā)展中被突破。

圖2. 一體化無線充電微型超級電容器的設(shè)計原理、制備及展示

為實(shí)現(xiàn)非接觸式充電和快速大功率供能的效果，該研究者研發(fā)了一種平面同軸結(jié)構(gòu)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(jīng)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(lán)色部分)和具有一定圈數(shù)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(fā)現(xiàn)共享電極不僅可以充當(dāng)線圈的導(dǎo)線從磁場中收集能量，而且還可用作三個并聯(lián)的MSC的電極（圖2a中的藍(lán)線）。這主要是由于石墨紙(GP)具有低電阻、高電導(dǎo)率、出色的耐腐蝕性、低產(chǎn)熱量以及較高的工作電壓的優(yōu)點(diǎn)，即使在密封環(huán)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(zhì)中工作時也更穩(wěn)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(shè)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(tài)下保持良好的電化學(xué)性能，且其厚度遠(yuǎn)低于商業(yè)薄膜電容器。

圖3.一體化器件中MSC的優(yōu)化過程及優(yōu)化后的電化學(xué)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(jié)構(gòu)的優(yōu)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(nèi)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(rèn)為MSC具有高能量密度和高電容值的主要原因有以下幾點(diǎn)：1.離子液體電解質(zhì)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(guān)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(tǒng)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(tǒng)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(jìn)行組裝。

最后，將一體化器件與電動玩具車進(jìn)行組裝后放置在無線發(fā)射器附近，通過自身的無線線圈進(jìn)行無線充電。經(jīng)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(dá)0.18 mWh和45.9 mW，撥動開關(guān)釋放電容器中存儲的能量可立即驅(qū)動電動玩具車奔跑（圖5）。該研究為非接觸式微電子學(xué)和柔性微型機(jī)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(fā)展。

論文鏈接：

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

來源：北京理工大學(xué)

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