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admin 7个月前 ( 03-26 20:31 ) 0条评论
摘要: 自2012年Nokia首次推出Qi标准无线充电手机Lumia920开始[1]。“无线充电”作为一项吸引眼球的新功能,如今已是不少旗舰手机的标配。...

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智能手机已经成了我们大多数人日常生活必不可少的伙伴。随着手机性能的日益增长,其耗电量也在不断增加,新型、方便、快捷的充电手段也越来越受关注。自2012年Nokia首次推出Qi标准无线充电(即磁感应无线充电)杀死巴勃罗手机Lumia 920开始 [1],“无线充电”作为一项吸引眼球的新功能,如今已是不少旗舰手机的标配。虽然已经应用多年,大众似乎对这一新技术并不感冒。究其原因主要是这一充电手段并不能完全摆脱充电头和插座的依赖,比起传统的“线充”,目前的“无线充电”还需要多带一个需要插电的无线充电基板,所以也被一些媒体称为“华而不实的噱头”。另外,这个技术本身还有不少问题影响用户体验:(1)可充电区域太小。充电时需要专门摆放好手机,否则充不上电;趣信网(2)充电过程中手机温度升高。这是由于电磁转换会产生不必要的热量,只能通过降低充电功率来减小影响;(3)最后就是充电速度通常慢于有线充电速度。目前,一些厂商的有线超级快充已经可以达40瓦的充电功率,而无线充电只能达到最高15瓦左右。



图1. 手机无线充电。图片来源:华为 [2]

想要充电时真正摆脱电线的困扰,从环境中的电磁波汲取能量可能是一个选择。想象一下,手机没电的时候粟米忌廉汤,打开“真”无线充电功能一会就有了电救命,是不是很奇幻?这让笔者想起小时候看过的动漫场景——举魔乳起宝剑对着天百变马丁全集365集空大喊一声“赐予我力量吧”, 顿时在电闪雷鸣中变身超级英雄(图2)。



Nikola Tesla。图片来源于网络

在这项工作中,MIT的研究者使用了一种新兴的二维材料MoS2,它只有三个原子厚,是世界上最薄的半导体之一。研究者利用了MoS2的一种独特行为:当接触到某些化学物质时,材料的原子会以一种类似“开关”的方式重新排列,导致从半导体到金属材料的相变。基于所产生的半导体-金属(2H-1T/1T')相结,他们构建了一个超快肖特基二极管(Schottky diode)(图3a)。这种完全柔性肖特基二极管具有很好的电流响应率(4.7 A W-1),性能可与刚性硅基肖特基二极管相媲美。



图3. 基于二维MoS2异质结构肖特基二极管的柔性整流天线。图片来源:Nature

为了研究这种柔性MoS2肖特基二极管的高频性能,作者使用矢量网络分析仪进行了散射参数(S参数)的测量,并使用共面传输线和G-S-G探针结构(图4a上)来表征高频下的设备,此外还建立了一个MoS奇,戒色,五台山天气2肖特基二极管的等效电路(图4a下)。他们发现,这种柔性MoS2肖特基二极管的串联电阻和寄生电容都被最大程度的降低了,寄于仁杰生电容比现有最先进的柔性整流器小一个数量级,因此这种MoS2肖特基二极管的信号转换要快得多,可以捕获和转换高达10 GHz的无线信号。



图4. 柔性MoS2整流器的S参数测量与等效电路建模。图片来源:Nature

如预期的那样,不同频率下,器件的整流输出电压Vout随着输入二极管的射频功率的增加而增加(图5a)。后续测试中,在Wi-Fi的2.4 GHz频段下,输入功率为−0.7 dbm时,器件能量收集的最大功率效率可达到40.1%(图5b)。在约5 mW的输入射频功率下,可获得3.5 V的输出电压(图5c)。研究者将这种超快柔性MoS2整流器与一个柔性的Wi-Fi天线集成,制造了一个完全柔性的集成整流天线(图5d/5e),来验证Wi-Fi信号无线能量收集。这种柔性的MoS2整流天线成功实现了Wi-Fi信道(5.9 GHz)能量的无线收集,并产生了最高250 mV的整流输出电压(距商用Wi-Fi发射机的发射天线约2.5 cm)。



图5. MoS2相结整流天线用于无线射频能量收集。图片来源:Nature

随着物联网和移动互联网的发展,我们身边的电子设备越来越多,都使用目前的锂电池供电在成本和操作上来看常宗琳都不现实。除此之外,可穿戴设备、植入型医疗设备等都需要真正的无线充电或者无线供电。Toms Palacios教授在谈到本研究时,提到了他一直以来在思考的问题,如果将来在桥上、高速公路上或者办公室的墙壁上都是电子设备,“你如何为这些电子产品提供能量?”。既然现代世界充满了包括Wi-Fi信号在内的各种波段的电磁波,那么,从它们身上汲取能源无疑是明智之举。[3,5]

当然,本文中的柔性无线能量收集器件仅仅是实验室的概念验证,在常规Wi-Fi信号中的直流输出功率也只有40微瓦左右,可以点亮一颗LED灯珠或者为几个京典丽园芯片供电,但与智能手机数十瓦的充电功率要求差距甚远。不过,笔者相信,如今科技进步如此之快,未来肯定能实现数据信号和电能的同时传输。

原文

Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting

Xu Zhang, Jess Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chernios科学上网, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, A姜镇宇hmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus, Toms Palacios

Natur驱魔战警e, 2019, 566, 368–372, DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1

参考文献:

1.https://en.wikipedia.org/wiki/Qi_(standard)

2.https://consumer.huawei.com/cn/phones/mate家庭电梯价格20-pro/

3.https://www.slashgear.com/research-here-come-wi-fi-power-harvesting-batteries-30564069/

4. Apparatus for utilizing effects transmitted蓓瑞维奥 from a distance to a receiving device through natural media. US Patent 685955 (1901)

5.http://news.mit.edu/2019/converting-wi-fi-signals-electricity-0128

(本文由叶舞知秋纳米神兵中文版供稿)

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