近日，北京理工大学化学与化工学院博士生高畅和硕士生刘佳佳以共同第一作者在国际顶级期刊《Advanced Materials》（IF: 32）发表题目为“An Energy-Adjustable, Deformable, and Packable Wireless Charging Fiber Supercapacitor”的研究论文（DOI：10.1002/adma.202413292）。北京理工大学为论文的第一通讯单位，化学与化工学院赵扬特别研究员和清华大学曲良体教授为共同通讯作者。
具有不同形状和能量的可穿戴电子产品在物联网（IoT）和体域网（BAN）中越来越受欢迎，包括医疗保健监测，体育训练和家用电子产品。将无线充电和能量存储相结合的柔性无线充电储能器件（WC-ESDs）可以为这些可穿戴电子器件提供能量，而不必匹配接线端口或避免有线充电时因反复插拔造成的损坏问题。然而，开发对器件形状和存储能量具有高度可控性的无线充电储能器件，不可避免地会遇到变形的问题，这是由充电和储能单元之间的机械兼容性以及电极的能量可调节能力决定的。作为无线充电中的关键部件，铜、金和银由于其优越的导电性常被选作无线充电线圈（WCC）的导电金属丝。然而，这些刚性金属线圈不仅会与皮肤摩擦造成不适的体感和潜在的损伤，而且较大的体积与人体能否舒适容纳也成为问题。此外，在WC-ESD中集成两个独立的WCC和ESD模块还处于起步阶段。WCC和超级电容器在刚性、形状和材料上的不匹配容易导致WC-ESD在反复弯曲和扭曲过程中发生断裂。为此，我们前期曾利用石墨/活性炭和聚（3, 4-乙撑二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸盐）(PEDOT:PSS)/离子液体开发了无缝集成的平面无线充电超级电容器，且器件内WCC和超级电容器电极的机械性能一致。纤维超级电容器具有优异的线型形状，通常具有优异的机械柔性。它还可以缠绕成无线充电线圈的螺旋状，在WC-ESD集成应用方面具有很大的潜力。迄今为止，已经开发了许多纤维超级电容器，但它们大多具有较低的能量密度(< 200 μWh cm-2)，不适合实际应用。
针对以上问题，清华大学曲良体教授与北京理工大学赵扬特别研究员团队联合提出了一种具有形状可调、可收纳和能量可控的无线充电线圈和超级电容器（WC-SC）的集成纤维器件。该集成器件仅由柔性碳纤维（CF）制成，具有无线充电和能量存储能力。形成的WC-SC可以发生大的形状变形，直径从2 cm到20 cm不等。由于具有超高的柔韧性，该器件可以被包装成各种不规则的空间，例如智能手环、圆盘状宠物GPS和其他可穿戴电子器件。同时，通过改变WC-SC的形状可以方便地控制无线充电线圈的收集能量，其中无线充电电流、电压和功率的范围分别为0.5 ~ 20 mA、1.4 ~ 15.5 V和0.003 ~ 313 mW。此外，WC-SC所构建的超级电容器具有803 mF cm-2的面积容量和1004 µWh cm -2的能量密度，高于大多数纤维超级电容器。这种纤维型WC-SC具有形状、尺寸和能量可控的能力，可以适应各种实际应用场合。大范围变形模式为可穿戴电子和机器人执行复杂任务提供了前所未有的机会。
WC-SC是基于一根柔性碳纤维（CF）制备的，其总长度为64 cm。如图1a所示，CF的一端作为WCC，另一端作为SC电极的支撑和集流体。对于WCC部分，CF的一端用绝缘双面胶覆盖，赋予其形状固定能力（图1a，左图）。而SC电极是将CF的另一端浸渍到氧化石墨烯(GO)和活性炭(AC)浆料（图1a，右图）的混合物中（浸渍电极长度为1.5 ~ 8.0 cm），然后在空气中干燥并在高温下加热，从而得到CF@rGO/AC复合材料。为了获得完整的SC，依次组装了一块滤纸隔膜和另一个相同的CF@rGO/AC电极（图1b），然后滴加离子液体电解质并用热缩管包裹。图1b插图中WC-SC的电路图对应无线充电部分（如WCC）和储能部分（如MSC）。
图1 WC-SC的组装示意图。
对不同电极长度(1.5~8.0 cm )的超级电容器进行电化学性能评价。电极长度从1.5 cm到8.0 cm，电容值从135 mF到1193 mF不等。计算得到的面积、质量和体积比电容值分别为803 mF cm -2、11.7 F g - 1和11.0 F cm -3。相应地，SC的能量和功率随着电极长度的增加而增加（图2b），当电极长度为8.0 cm时，SC的能量和功率分别达到最大值1490 μWh和35.8 mW。此外，SC可以很容易地进行串并联组装，以满足各种能源需求场景。图2g和2h展示了三个1.5 cm长的SCs串联和并联的恒流充放电(GCD)和循环伏安(CV)曲线，显示出SC优越的电化学性能。
图2 SC的电化学储能性能
无线充电能力对于集成的WC-SC能否正常应用于无线器件至关重要。对此，研究了CF长度为62.5 cm、长度质量为3.9 mg/cm的WCC的无线充电性能，如图2所示。
图3 WCC无线充电性能表征。
由于WCC和SCs具有良好的机械柔韧性和电化学性能，我们开发了一种可收纳的高性能一体化WC-SC纤维器件（图4）。得益于形状可变形和能量可控的特性，WC-SC可以转变为多种形态进行收纳。除此之外，还可以通过调节集成WC-SC中WCC的长度来控制无线充电能量，实现对不同功率用电器供电。
图4 集成WC-SC的无线充电性能及应用。
综上所述，该工作制备了一种形状可调、可收纳、可控制能量的无线充电线圈和微型超级电容器集成纤维基器件。WC-SC可以承受直径从2 cm到20 cm不等的圆形形状，并且可以变换尺寸从而收纳在狭窄的不规则电器中。WC-SC的收集能量范围很广（0.5~20mA、1.4~15.5V、0.003~313mW），通过改变其形状和尺寸进行精确控制，足以满足几乎所有微电子器件的能量需求。此外，WC-SC的微型超级电容器具有803 mF cm-2的优异面积容量和1004 μWh cm-2的能量密度，优于大多数电化学超级电容器。这项工作为可变形和可调的能量收集可穿戴电子器件提供了巨大的潜力，并为未来空间受限的复杂情况提供了一种可收纳和能量控制的无线充电电子器件解决方案。
上述工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
