出品：科普中国
作者：一言科普团队
监制：中国科普博览
无线充电正逐渐成为日常电子设备充电的一部分，从电动牙刷到智能手环和手机，无线充电的应用场景日益增多。它不仅简化了充电过程，还为我们摆脱了充电线的束缚。“贴一贴”就能充电，什么原理？
无线充电，又名感应充电或无线能量传输，其实是一种无需在电子设备和充电平台之间连接充电线就可以为设备充电的技术。
正在进行无线充电的手机
（图片来源：veer图库）
电子设备的无线充电应用较多的是电磁感应原理，即在闭合电路中，当穿过该电路的磁通量发生变化时，电路中就会产生感应电流。
无线充电的实现通常需要两个线圈，一个是置于充电平台中的发射线圈，另一个是置于电子设备内的接收线圈。当一个变化的电流通过充电平台的发射线圈时，线圈内会产生一个变化的磁场。在电子设备靠近充电平台后，接收线圈会产生感应电流，并且通过电路系统转换为直流电，为设备充电。
手机无线充电示意图
（图片来源：参考文献1）
尽管无线充电无需插线就能补充电能，但是发射端与接收端需要满足位置和距离的要求。电磁感应的传输距离通常在几毫米到几厘米之间，并且还会受到线圈对齐方式的影响。所以在进行无线充电时，线圈越接近且对齐得越好，充电速度越快。
有人会认为，“贴一贴”充电还是不太方便，是否可以“不贴”就能充电呢？
远距离的无线充电
电磁共振是无线充电应用的另一种原理，允许在较远的距离进行能量传输。电磁共振同样需要两组线圈，发射端通过振荡器和发射线圈产生变化的磁场，由于接收端的接收线圈与发射线圈具有相同的谐振频率，接收线圈与发射线圈会产生强耦合，将磁场能量转化为电能，实现电能的无线传输。
电磁共振原理图
（图片来源：参考文献2）
2007年，麻省理工学院的研究团队在《科学》（《Science》）杂志发表的一项研究成果显示，在自谐振线圈的强耦合状态下，直径为25厘米的铜线圈可以实现超过2米的能量传输，传输功率达到60瓦，足以点亮一个灯泡。
神奇的线圈——无线充电的必要条件
不论是利用电磁感应原理，还是电磁共振原理，线圈是无线充电技术的重要组成部分，并且由线圈带来的能量的损耗对无线充电的效率有很大影响。
那么无线充电线圈都有哪些材质呢？
铜线圈是无线充电技术中应用较为广泛的材料，多用于无线充电的接收端。铜是电阻率极低的金属材料，导电性仅次于银，具有成本低、延展性好的优点。此外，铜的散热效果较好，能够有效地分散充电过程中产生的热量，避免过热现象。
铜线圈
（图片来源：veer图库）
利兹线是无线充电发射端常用的线圈材质，这种材质的线由多股细铜线绞合而成，目的是减少趋肤效应（交流电在导体中的不均匀分布），从而降低电阻，提高能量的传输效率。
无线充电线圈
（图片来源：veer图库）
尽管铜等金属材质的线圈具有优异的导电性，在无线充电线圈中已经得到广泛应用。但是对于与皮肤接触的柔性电子设备，铜等刚性线圈很难依据不同的应用场景变换不同的形状。此外，无线充电的电子设备除了线圈外还需要有一块储存电能的电池，不仅增大了设备的体积，也增加了设备的重量。那么，是否可以将电能直接储存在线圈中，免去电池呢？
碳纤维线圈，既能无线充电、又能储存电能
2024年10月17日，中国科学家在国际高水平杂志《先进材料》上发表了一项关于“碳纤维柔性器件”的研究工作，利用碳纤维导电和可作为超级电容器电极的特性实现了无线充电和电能储存的结合。
研究成果发表于《Advanced Materials》杂志
（图片来源：《先进材料》杂志）
双电层超级电容器是一种依靠静电电荷在电极的吸附储存电能的器件，具有快速充电的优势，通常采用碳材料作为电极。基于此，研究者制备了一段长度为64厘米的柔性碳纤维，并且将碳纤维的一端浸入氧化石墨烯和活性炭浆料中，经过干燥和高温处理得到碳纤维/还原氧化石墨烯/活性炭（CF@rGO/AC）电极。
碳纤维无线充电线圈与超级电容器集成示意图；b.碳纤维线圈超级电容器制备示意图
（图片来源：参考文献3）
研究者将隔膜置于两个相同的CF@rGO/AC电极之间，滴入离子液体电解液，并用热缩管包裹，在柔性碳纤维的一端组成了超级电容器。
该超级电容器具有电极长度可调节、储存能量可调节的特性，当电极长度达到8厘米时，超级电容器的容量可达1490μWh，功率可达35.8mW。
集成的碳纤维器件由62.5厘米长度的无线线圈和1.5厘米长度的超级电容器组成，当碳纤维线圈的外径为6.8厘米时，在3V的充电电压下，2秒钟就可以完成超级电容器的充电。将碳纤维线圈车叠成三维弹簧形状，充电功率可达313mW。
碳纤维无线充电线圈与超级电容器电路图；
b-d.碳纤维集成器件实物图；
e.不同碳纤维线圈外径与无线充电时间和初始放电电流图；
f.不同碳纤维线圈外径的初始充电电流图；
g,h.碳纤维集成器件在手环和宠物GPS中应用图片；
i-k.碳纤维集成器件驱动电风扇、灯带和玩具小汽车图片
（图片来源：参考文献3）
基于碳纤维柔韧性好的特点，研究者将该碳纤维器件转换成不同的形状，不仅可以放置在智能手环中，也可以圆盘的形式置于宠物GPS中，具有更好的便捷性和适应性。
无线充电，未来在更大的“舞台”绽放光彩
智能手环、手机等的无线充电技术应用已经十分常见，那么同样需要电能驱动的新能源汽车是否也可以用上无线充电技术呢？
答案是肯定的。
相比于插线充电的方式，无线充电的方式可以极大地缓解充电桩不足的问题，车主只需将车停在固定的位置即可充电，便捷性大幅提升。随着技术的发展，未来还有可能对道路进行改造，实现新能源汽车的动态充电。试想一下，当你驾驶一辆新能源汽车在特定的道路行驶时，边走边充电，既解决了里程焦虑，又会体验到酷酷的感觉。
汽车动态无线充电概念图
（图片来源：veer图库）
目前很多车企已经在探索通过无线充电的方式为新能源汽车补充电能，但是由空气介质带来的电磁波能量损耗和传输距离短等问题还待解决，距离大规模应用还有很长的路要走。
科技的发展往往不是一蹴而就的，科学家们的不懈努力正在将我们想象中的美好场景变为现实。我们有理由相信，科技的进步会给我们的生活带来质的飞跃，让我们共同期待更加智能化的未来。
参考文献：
1.叶羽昊.无线充电技术的原理与应用[J].科技创新与生产力, 2023.
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4.L. L. Zhang, X. S. Zhao, Carbon-based materials as supercapacitor electrodes[J]. Chemical Society Reviews, 2009.
5.L. L. Zhang, R. Zhou, X. S. Zhao, Graphene-based materials as supercapacitor electrodes[J]. Journal of Materials Chemistry, 2010.
6.孙琨雅.电动汽车无线充电技术系统性研究[J], 2024.
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