追加の手順は不要、貼り付けるだけで充電できます

制作：中国科学普及協会

著者: Yiyan Science Team

プロデューサー: 中国科学博覧会

ワイヤレス充電は、徐々に日常的な電子機器の充電の一部になりつつあります。電動歯ブラシからスマートブレスレット、携帯電話まで、ワイヤレス充電の応用シナリオは増加しています。充電プロセスが簡素化されるだけでなく、充電ケーブルの制約からも解放されます。貼るだけで充電できるとはどういう原理ですか？

ワイヤレス充電は、誘導充電またはワイヤレスエネルギー転送とも呼ばれ、電子機器と充電プラットフォームの間に充電ケーブルを接続しなくてもデバイスを充電できる技術です。

ワイヤレス充電中の携帯電話

（写真提供：veerフォトギャラリー）

電子機器のワイヤレス充電の最も一般的な用途は、電磁誘導の原理です。つまり、閉回路では、回路を通過する磁束が変化すると、回路内に誘導電流が発生します。

ワイヤレス充電の実装には通常、2 つのコイルが必要です。1 つは充電プラットフォームに配置される送信コイルで、もう 1 つは電子機器に配置される受信コイルです。変化する電流が充電プラットフォームの送信コイルを通過すると、コイル内に変化する磁場が生成されます。電子機器が充電プラットフォームに近づくと、受信コイルが誘導電流を生成し、回路システムを通じて直流に変換されて機器を充電します。

携帯電話のワイヤレス充電図

（画像出典：参考1）

ワイヤレス充電はコードを接続せずに電力を補充できますが、送信機と受信機は場所と距離の要件を満たす必要があります。電磁誘導の伝送距離は通常数ミリメートルから数センチメートルの間であり、コイルの配置によっても影響を受けます。したがって、ワイヤレス充電する場合、コイルがより近く、より正確に配置されているほど、充電速度は速くなります。

「パッチを貼る」という充電方法は、まだあまり便利ではないと考える人もいるかもしれません。パッチを貼らずに充電することは可能ですか？

離れた場所からワイヤレス充電

電磁共鳴はワイヤレス充電アプリケーションのもう 1 つの原理であり、より長い距離にわたるエネルギー転送を可能にします。電磁共鳴にも 2 セットのコイルが必要です。送信側は発振器と送信コイルを通じて変化する磁場を生成します。受信側の受信コイルと送信コイルは同じ共振周波数を持つため、受信コイルと送信コイルは強い結合を持ち、磁場エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気エネルギーのワイヤレス伝送を実現します。

電磁共鳴原理図

（画像出典：参考資料2）

2007年、マサチューセッツ工科大学の研究チームがサイエンス誌に研究結果を発表し、自己共振コイルの強い結合状態下では、直径25センチの銅コイルで2メートル以上のエネルギー伝送が可能で、伝送電力は電球を点灯するのに十分な60ワットであることが明らかになった。

魔法のコイル - ワイヤレス充電に必要な条件

電磁誘導の原理を使用する場合でも、電磁共鳴の原理を使用する場合でも、コイルはワイヤレス充電技術の重要な構成要素であり、コイルによって生じるエネルギー損失はワイヤレス充電の効率に大きな影響を与えます。

では、ワイヤレス充電コイルはどのような材料で作られているのでしょうか?

銅コイルはワイヤレス充電技術で広く使用されている素材で、主にワイヤレス充電の受信側で使用されます。銅は抵抗率が極めて低い金属材料であり、その導電性は銀に次いで優れています。低コストで延性に優れているという利点があります。さらに、銅は放熱効果が優れており、充電プロセス中に発生する熱を効果的に分散して過熱を回避できます。

銅コイル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

リッツ線は、ワイヤレス充電トランスミッターによく使用されるコイル材料です。このタイプのワイヤは、細い銅線の複数の撚り線を撚り合わせて作られています。目的は、表皮効果（導体内の交流電流の不均一な分布）を軽減し、抵抗を減らしてエネルギー伝送効率を向上させることです。

ワイヤレス充電コイル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

銅などの金属材料で作られたコイルは導電性に優れているため、ワイヤレス充電コイルに広く使用されています。しかし、皮膚に接触するフレキシブル電子デバイスの場合、銅などの硬いコイルは、さまざまな用途のシナリオに応じてさまざまな形状に変更することが困難です。さらに、ワイヤレス充電電子機器には、コイルに加えて電気エネルギーを蓄えるバッテリーも必要であり、これにより機器のサイズが大きくなるだけでなく、重量も増加します。では、バッテリーを必要とせずに、コイルに直接電気エネルギーを蓄えることは可能なのでしょうか?

カーボンファイバーコイルはワイヤレス充電と蓄電の両方が可能

2024年10月17日、中国の科学者らは、国際高級ジャーナル「Advanced Materials」に「炭素繊維フレキシブルデバイス」に関する研究論文を発表した。この研究では、炭素繊維の導電性とスーパーキャパシタ電極として機能できる特性を利用し、ワイヤレス充電とエネルギー貯蔵の組み合わせを実現した。

研究結果はAdvanced Materialsに掲載された。

(画像出典: Advanced Materials Magazine)

二重層スーパーキャパシタは、電極上の静電気の吸着を利用して電気エネルギーを蓄える装置です。急速充電の利点があり、通常は電極として炭素材料を使用します。これを基に研究者らは長さ64センチの柔軟な炭素繊維を用意し、その炭素繊維の一端を酸化グラフェンと活性炭のスラリーに浸した。乾燥および高温処理後、炭素繊維/還元酸化グラフェン/活性炭（CF@rGO/AC）電極が得られました。

カーボンファイバーワイヤレス充電コイルとスーパーキャパシタの統合の概略図。 b.炭素繊維コイルスーパーキャパシタの製造の概略図

（画像出典：参考文献3）

研究者らは、セパレーターを 2 つの同一の CF@rGO/AC 電極の間に置き、イオン液体電解質を滴下し、熱収縮チューブで包んで、柔軟な炭素繊維の一端にスーパーキャパシタを形成しました。

このスーパーキャパシタは、電極の長さを調整でき、蓄電エネルギーを調整できるという特徴があります。電極の長さが 8 cm に達すると、スーパーキャパシタの容量は 1490 μWh に達し、電力は 35.8 mW に達します。

統合カーボンファイバーデバイスは、長さ 62.5 cm のワイヤレスコイルと長さ 1.5 cm のスーパーキャパシタで構成されています。カーボンファイバーコイルの外径が6.8cmの場合、充電電圧3Vでスーパーキャパシタを2秒で充電できます。カーボンファイバーコイルを3次元のスプリング形状に積み重ね、充電電力は313mWに達します。

カーボンファイバーワイヤレス充電コイルとスーパーキャパシタの回路図。

BD。カーボンファイバー集積デバイスの実際の写真。

e.さまざまなカーボンファイバーコイルの外径とワイヤレス充電時間および初期放電電流のグラフ。

f.異なる外径のカーボンファイバーコイルの初期充電電流図。

グ、ヒ。リストバンドやペット用 GPS におけるカーボンファイバー統合デバイスのアプリケーション写真。

そうですね。カーボンファイバー統合デバイスが電動ファン、ライトストリップ、おもちゃの車を駆動

（画像出典：参考文献3）

研究者たちは、炭素繊維の優れた柔軟性に基づいて、炭素繊維デバイスをさまざまな形状に変換しました。スマートブレスレットに装着できるだけでなく、ペット用 GPS のディスクの形でも装着でき、利便性と適応性が高まります。

ワイヤレス充電は将来、より大きな舞台で輝くだろう

スマートブレスレットや携帯電話などへのワイヤレス充電技術の応用はすでに非常に一般的になっています。では、走行に電気を必要とする新エネルギー車でもワイヤレス充電技術を使用できるのでしょうか?

答えはイエスです。

プラグイン充電方式と比較して、ワイヤレス充電は充電不足の問題を大幅に軽減できます。車の所有者は、充電するために決まった場所に車を駐車するだけで済むため、利便性が大幅に向上します。技術の発展により、将来的には道路を改造して新エネルギー車の動的充電を実現できるようになるかもしれません。特定の道路で新エネルギー車を運転しているときに、運転しながら充電すると、航続距離の不安が解消されるだけでなく、クールな体験も得られることを想像してみてください。

自動車向け動的ワイヤレス充電の概念図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

現在、多くの自動車会社が新エネルギー車の電力を補充するためにワイヤレス充電の活用を検討しています。しかし、空気媒体による電磁波エネルギー損失や伝送距離の短さなどの問題はまだ解決されておらず、大規模応用にはまだ長い道のりが残っています。

科学技術の発展は、多くの場合、一夜にして達成されるものではありません。科学者たちのたゆまぬ努力により、私たちが想像する美しい光景が現実のものになっています。技術の進歩が私たちの生活に質的な飛躍をもたらすと信じる理由があります。より知的な未来を一緒に楽しみにしていきましょう。

参考文献:

1. イェ・ユハオ。ワイヤレス充電技術の原理と応用[J]。科学技術イノベーションと生産性、2023年。

2. チェン・ヤオ。無線電力伝送技術の開発と標準化の現状[J]。バッテリー、2021年。

3. C. Gao、J. Liu、Y. Han、R. Chen、J. Huang、Y. Gu、Y. Zhao、L. Qu、「エネルギー調整可能、変形可能、および収納可能なワイヤレス充電ファイバースーパーキャパシタ」[J]。上級マター、2024年。

4.LL Zhang、XS Zhao、スーパーキャパシタ電極としての炭素ベース材料[J]。化学協会レビュー、2009年。

5.LL Zhang、R. Zhou、XS Zhao、スーパーキャパシタ電極としてのグラフェンベース材料[J]。材料化学ジャーナル、2010年。

6. 孫坤也。電気自動車向けワイヤレス充電技術に関する体系的な研究[J]、2024年。