【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學化學與化工學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)。北京理工大學為論文的第一通訊單位，化學與化工學院趙揚特別研究員和清華大學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，體育訓練和家用電子產品。將無線充電和能量存儲相結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節(jié)能力決定的。作為無線充電中的關鍵部件，銅、金和銀由于其優(yōu)越的導電性常被選作無線充電線圈(WCC)的導電金屬絲。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致WC-ESD在反復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)，不適合實際應用。
 

　　針對以上問題，清華大學曲良體教授與北京理工大學趙揚特別研究員團隊聯(lián)合提出了一種具有形狀可調、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，可以適應各種實際應用場合。大范圍變形模式為可穿戴電子和機器人執(zhí)行復雜任務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并用熱縮管包裹。圖1b插圖中WC-SC的電路圖對應無線充電部分(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。相應地，SC的能量和功率隨著電極長度的增加而增加(圖2b)，當電極長度為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)越的電化學性能。
 

圖2 SC的電化學儲能性能
 

　　無線充電能力對于集成的WC-SC能否正常應用于無線器件至關重要。對此，研究了CF長度為62.5 cm、長度質量為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可以轉變?yōu)槎喾N形態(tài)進行收納。除此之外，還可以通過調節(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用。
 

　　綜上所述，該工作制備了一種形狀可調、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)電化學超級電容器。這項工作為可變形和可調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基金等項目的資助。