Adv. Mater.：基于麥克斯韋位移電流的自驅動無線電力傳輸

【引言】

能源是當今社會發展的基礎，也是人類生活質量的重要標志。從第一次電能使用開始，電力總是通過金屬導線/電纜高效地、安全地、準確地傳輸。當前作為化石燃料、核能、水力發電的主導技術，電磁感應發電技術主要依賴于洛倫茲力驅動的自由電子在金屬導線中的流動。同時，為了滿足當今移動電子產品、物聯網與傳感網絡的能量需求，實現電能的無線傳輸是至關重要的，尤其對于植入式醫療器件、安全、射頻識別等領域的應用。然而，目前的無線電力傳輸技術通常是基于感應線圈和/或天線的。與無線通信技術相比，無線充電技術在增強無線器件與系統的適應性和移動性方面也是非常重要的。雖然現在有電磁感應、磁共振和無線電波三種無線充電技術模式，但是這些技術還是相當復雜且低效的。

1861年英國科學家麥克斯韋提出了物理學第一大方程組——麥克斯韋方程組，并在方程組里大膽創新地引進了位移電流的概念。麥克斯韋位移電流不同于我們常規觀察到的自由電子傳導的電流，而是由于時間變化的電場再加上隨時間變化的原子束縛電荷的微小運動和材料中的電介質極化。位移電流的第一項不但統一了電場和磁場，同時預言了電磁波的存在，奠定了無線通訊的物理基礎。而位移電流的第二項最近被發現是納米發電機的根本理論基礎和來源，在無線供電方面也具有重要的潛在應用。納米發電機的理論根源與傳統的電磁發電機有本質的區別，電磁發電機利用變化的磁場產生電流，采用洛倫茲力驅動的電阻性自由電子傳導的機理，而納米發電機利用表面極化電荷引起的極化場的變化來發電，采用電容性位移電流的機理。納米發電機是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術后在能源與傳感方面的另一重大應用，將大大地影響物聯網、傳感器網絡、藍色能源和大數據等技術領域未來的發展。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士和中科院北京納米能源與系統研究所-北京科技大學雙聘教授曹霞以及北京科技大學王寧教授研究團隊開展了基于麥克斯韋位移電流的自驅動無線電力傳輸研究。該研究團隊長期從事微納能源和納米發電機的研究工作，得益于研究工作的積累，并結合生活中觀察到的摩擦起電現象，首次創新性地提出將麥克斯韋位移電流應用于無線電力傳輸的想法，從而進一步設計了具有柵格結構的接觸滑動式旋轉發電機以及柔性可穿戴式發電機，外界的機械驅動/刺激引起極化電荷分布以及空間電位移場隨時間發生周期性變化，從而產生位移電流。這些發電機通過位移電流的原理無線收集周圍環境中的機械能，可持續地為各種便攜式和可穿戴式電子設備供電。該無線電力傳輸技術為低頻 (< 5 Hz) 下的能量傳輸提供了一種更有效的方法。相關研究成果以“Inductor-Free Wireless Energy Delivery via Maxwell’s Displacement Current from an Electrodeless Triboelectric Nanogenerator”為題發表在近期的Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1. 無電極摩擦納米發電機(TENG)的工作機理

(a) 旋轉式無電極TENG的理論模型。

(b) 在恒定高度時，空間電位移場在x-，y-，z-三個方向的分布與旋轉角度的關系。

(c) 不同高度處電位移的x-，y-，z-三個分量與時間的關系。

(d) 不同高度處Maxwell位移電流密度的x-，y-，z-三個分量與時間的關系。

圖2. 空間不同橫向位置處的電位移與位移電流

(a) (b) (c) 在恒定的高度和縱向位置時，不同橫向位置處電位移的x-，y-，z-三個分量與時間的關系。

(d) (e) (f) 在恒定的高度和縱向位置時，不同橫向位置處Maxwell位移電流密度的x-，y-，z-三個分量與時間的關系。

圖3. 制備的無電極TENG的電學輸出性能

(a) 旋轉式無電極TENG與收集器的示意圖。

(b) (c) 無電極TENG的開路電壓與短路電流。

(d) 無電極TENG在不同旋轉速度下的短路電流密度。

圖4. 設計的無電極TENG的無線能量傳輸性能

(a) 電流密度對垂直高度h的依賴性。

(b) 電流密度對徑向距離r的依賴性。

(c) TENG的輸出電流與金屬收集器數目的關系。

(d) 采用箔狀收集器的TENG在不同垂直高度h處的電流密度。

圖5.?無電極TENG用作無線功率源的展示

(a) 旋轉式無電極TENG器件與連有收集器的臺燈的照片，以及被點亮LED燈的光學圖像。

(b) 通過無線能量傳輸驅動的電子手表。

(c) 利用織物纖維制造的柔性無電極TENG器件的照片，以及通過無線能量傳輸點亮LED燈的光學圖像。

(d) 可穿戴式的無電極TENG器件和被點亮的LED燈的照片。

【小結】

研究人員利用無電極TENG所產生的麥克斯韋位移電流實現了自驅動無線電力傳輸。通過有限元模擬揭示了由旋轉引發的電位移場的周期性變化而產生的位移電流是這種無電極TENG的根本的工作機理。實驗中采用PP盤、PMMA扇形和金屬收集器制備了無電極TENG器件并測量了其輸出性能。通過測量發現，在3 cm垂直高度處收集器所收集到的輸出電流密度為7 mA cm^-2， 開路電壓達到65 V，而且器件的無線能量傳輸行為依賴于垂直高度和徑向位置。進一步地，無電極TENG可以用作功率源驅動便攜式和可穿戴式電子設備，開啟了麥克斯韋位移電流在現代電子學方面的應用。

文獻鏈接：Inductor-Free Wireless Energy Delivery via Maxwell’s Displacement Current from an Electrodeless Triboelectric Nanogenerator (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201704077?)

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