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(jí)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(yáng)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(cè)，體育訓(xùn)練和家用電子產(chǎn)品。將無線充電和能量存儲(chǔ)相結(jié)合的柔性無線充電儲(chǔ)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(shí)因反復(fù)插拔造成的損壞問題。然而，開發(fā)對(duì)器件形狀和存儲(chǔ)能量具有高度可控性的無線充電儲(chǔ)能器件，不可避免地會(huì)遇到變形的問題，這是由充電和儲(chǔ)能單元之間的機(jī)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(huì)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(gè)獨(dú)立的WCC和ESD模塊還處于起步階段。WCC和超級(jí)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(jí)電容器，且器件內(nèi)WCC和超級(jí)電容器電極的機(jī)械性能一致。纖維超級(jí)電容器具有優(yōu)異的線型形狀，通常具有優(yōu)異的機(jī)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(jí)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(shí)際應(yīng)用。
針對(duì)以上問題，清華大學(xué)曲良體教授與北京理工大學(xué)趙揚(yáng)特別研究員團(tuán)隊(duì)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(jí)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(chǔ)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(shí)，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(jí)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(jí)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。大范圍變形模式為可穿戴電子和機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)提供了前所未有的機(jī)會(huì)。
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(duì)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(gè)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(duì)應(yīng)無線充電部分(如WCC)和儲(chǔ)能部分(如MSC)。
圖1 WC-SC的組裝示意圖。
對(duì)不同電極長度(1.5~8.0 cm )的超級(jí)電容器進(jìn)行電化學(xué)性能評(píng)價(jià)。電極長度從1.5 cm到8.0 cm，電容值從135 mF到1193 mF不等。計(jì)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(shí)，SC的能量和功率分別達(dá)到最大值1490 μWh和35.8 mW。此外，SC可以很容易地進(jìn)行串并聯(lián)組裝，以滿足各種能源需求場(chǎng)景。圖2g和2h展示了三個(gè)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(chǔ)能性能
無線充電能力對(duì)于集成的WC-SC能否正常應(yīng)用于無線器件至關(guān)重要。對(duì)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jí)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(jìn)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(jí)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(jí)電容器。這項(xiàng)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(xiàng)目的資助
