Adv. Mater.：基于麦克斯韦位移电流的自驱动无线电力传输

【引言】

能源是当今社会发展的基础，也是人类生活质量的重要标志。从第一次电能使用开始，电力总是通过金属导线/电缆高效地、安全地、准确地传输。当前作为化石燃料、核能、水力发电的主导技术，电磁感应发电技术主要依赖于洛伦兹力驱动的自由电子在金属导线中的流动。同时，为了满足当今移动电子产品、物联网与传感网络的能量需求，实现电能的无线传输是至关重要的，尤其对于植入式医疗器件、安全、射频识别等领域的应用。然而，目前的无线电力传输技术通常是基于感应线圈和/或天线的。与无线通信技术相比，无线充电技术在增强无线器件与系统的适应性和移动性方面也是非常重要的。虽然现在有电磁感应、磁共振和无线电波三种无线充电技术模式，但是这些技术还是相当复杂且低效的。

1861年英国科学家麦克斯韦提出了物理学第一大方程组——麦克斯韦方程组，并在方程组里大胆创新地引进了位移电流的概念。麦克斯韦位移电流不同于我们常规观察到的自由电子传导的电流，而是由于时间变化的电场再加上随时间变化的原子束缚电荷的微小运动和材料中的电介质极化。位移电流的第一项不但统一了电场和磁场，同时预言了电磁波的存在，奠定了无线通讯的物理基础。而位移电流的第二项最近被发现是纳米发电机的根本理论基础和来源，在无线供电方面也具有重要的潜在应用。纳米发电机的理论根源与传统的电磁发电机有本质的区别，电磁发电机利用变化的磁场产生电流，采用洛伦兹力驱动的电阻性自由电子传导的机理，而纳米发电机利用表面极化电荷引起的极化场的变化来发电，采用电容性位移电流的机理。纳米发电机是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用，将大大地影响物联网、传感器网络、蓝色能源和大数据等技术领域未来的发展。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和中科院北京纳米能源与系统研究所-北京科技大学双聘教授曹霞以及北京科技大学王宁教授研究团队开展了基于麦克斯韦位移电流的自驱动无线电力传输研究。该研究团队长期从事微纳能源和纳米发电机的研究工作，得益于研究工作的积累，并结合生活中观察到的摩擦起电现象，首次创新性地提出将麦克斯韦位移电流应用于无线电力传输的想法，从而进一步设计了具有栅格结构的接触滑动式旋转发电机以及柔性可穿戴式发电机，外界的机械驱动/刺激引起极化电荷分布以及空间电位移场随时间发生周期性变化，从而产生位移电流。这些发电机通过位移电流的原理无线收集周围环境中的机械能，可持续地为各种便携式和可穿戴式电子设备供电。该无线电力传输技术为低频 (< 5 Hz) 下的能量传输提供了一种更有效的方法。相关研究成果以“Inductor-Free Wireless Energy Delivery via Maxwell’s Displacement Current from an Electrodeless Triboelectric Nanogenerator”为题发表在近期的Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1. 无电极摩擦纳米发电机(TENG)的工作机理

(a) 旋转式无电极TENG的理论模型。

(b) 在恒定高度时，空间电位移场在x-，y-，z-三个方向的分布与旋转角度的关系。

(c) 不同高度处电位移的x-，y-，z-三个分量与时间的关系。

(d) 不同高度处Maxwell位移电流密度的x-，y-，z-三个分量与时间的关系。

图2. 空间不同横向位置处的电位移与位移电流

(a) (b) (c) 在恒定的高度和纵向位置时，不同横向位置处电位移的x-，y-，z-三个分量与时间的关系。

(d) (e) (f) 在恒定的高度和纵向位置时，不同横向位置处Maxwell位移电流密度的x-，y-，z-三个分量与时间的关系。

图3. 制备的无电极TENG的电学输出性能

(a) 旋转式无电极TENG与收集器的示意图。

(b) (c) 无电极TENG的开路电压与短路电流。

(d) 无电极TENG在不同旋转速度下的短路电流密度。

图4. 设计的无电极TENG的无线能量传输性能

(a) 电流密度对垂直高度h的依赖性。

(b) 电流密度对径向距离r的依赖性。

(c) TENG的输出电流与金属收集器数目的关系。

(d) 采用箔状收集器的TENG在不同垂直高度h处的电流密度。

图5. 无电极TENG用作无线功率源的展示

(a) 旋转式无电极TENG器件与连有收集器的台灯的照片，以及被点亮LED灯的光学图像。

(b) 通过无线能量传输驱动的电子手表。

(c) 利用织物纤维制造的柔性无电极TENG器件的照片，以及通过无线能量传输点亮LED灯的光学图像。

(d) 可穿戴式的无电极TENG器件和被点亮的LED灯的照片。

【小结】

研究人员利用无电极TENG所产生的麦克斯韦位移电流实现了自驱动无线电力传输。通过有限元模拟揭示了由旋转引发的电位移场的周期性变化而产生的位移电流是这种无电极TENG的根本的工作机理。实验中采用PP盘、PMMA扇形和金属收集器制备了无电极TENG器件并测量了其输出性能。通过测量发现，在3 cm垂直高度处收集器所收集到的输出电流密度为7 mA cm^-2， 开路电压达到65 V，而且器件的无线能量传输行为依赖于垂直高度和径向位置。进一步地，无电极TENG可以用作功率源驱动便携式和可穿戴式电子设备，开启了麦克斯韦位移电流在现代电子学方面的应用。

文献链接：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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