הבנה: מדע חומרי פורץ דרך

מאז בידודו בשנת 2004 על ידי חוקרים אנדרה גייים וקונסטנטין נובולוב - גילוי שהרוויח מהם פרס נובל לפיזיקה בשנת 2010 - גרף תפס את תשומת הלב של מדענים ומהנדסים בכל משמעת, חומר דו-ממדי זה מורכב משכבה אחת של אטומי פחמן מחוברים יחד בדפוס של אחסון מחדש של hexagonal, נותן לו שילוב ייחודי של תכונות כי שום חומר אחר לא יכול להתאים ביעילות.

בהקשר של טעינה אלחוטית, גרפן מציע פתרונות למגבלות ארוכות טווח ביעילות, מהירות, ניהול תרמי וגורם טופס המכשיר. על ידי החלפת או הגדלת חומרים מוליכים מסורתיים כגון נחושת, גרפן יכול לאפשר מערכות טעינה אלחוטיות מהירות יותר, קרירות יותר, והתאמה יותר למגוון רחב של מכשירים המגדירים את החיים המודרניים.

יסודות הטכנולוגיה האלחוטית

טעינה אלחוטית, הידוע גם כטעינה אינדוקטיבית, מעבירה אנרגיה חשמלית ממקור חשמל למכשיר המקבל ללא מחברים פיזיים.התהליך מתבסס על אינדוקציה אלקטרומגנטית בין שני סלילים: משדר סליל במטען ומיילר הפונה למכשיר.כאשר שינוי הנוכחי עובר דרך סליל השידור, הוא יוצר שדה מגנטי שגורם למתח בחבל הנגיף.

היעילות של העברת אנרגיה זו תלויה במידה רבה בהתנהלות של חומרי סליל, תדירות הזרם המשתנה, ואת ההיערכות בין סלילים. מערכות טעינה אלחוטיות מסורתיות להשתמש סלילים נחושת, המציעות מוליכות טובה אבל הם כבדים, קשיחים, נוטה להפסדי אנרגיה בצורה של חום.הסטנדרט צ'י, שפותח על ידי ה-Power Consortium, הוא פרוטוקול טעינה אלחוטית מאומצת ביותר, אך בדרך כלל להשיג יעילות נוספת מ -70 אחוזים ו תרחישים לא תקינים יותר.

ככל שהביקוש לדרגות כוח גבוהות יותר גדל – מונע על ידי יישומים כגון טעינה לרכב חשמלי, שתלים רפואיים ורובוטיקה תעשייתית – המגבלות של מערכות מבוססות נחושת הופכות בולטות יותר.כאן גרפן נכנס לתמונה כחומר טרנספורמטיבי לטעינה אלחוטית של הדור הבא.

כיצד Graphene משפר ביצועים Wireless Charging

מוליכים חשמליים

ניידות האלקטרונית של Graphene היא בין הגבוהים ביותר של כל חומר ידוע.אלקטרונס יכול לנסוע דרך גרפן עם מעט מאוד פיזור, כלומר סליל מבוסס גרפן יכול לשאת הנוכחי עם הפסדים התנגדות נמוך משמעותית יותר מאשר סליל נחושת שווה ערך. במערכת טעינה אלחוטית, זה מתורגם ישירות לתוך יעילות העברת אנרגיה גבוהה יותר. פחות אנרגיה מבוזבז חום, ועוד אנרגיה מגיע למכשיר מוקדם של מחקרים ניסיוניים הראו שיפור גרף גבוה של 10 אחוזים של יעילות האלקטרוניקה.

מהירות מהירה יותר

על ידי צמצום הפסדים מנוגדים ושיפור ההפיכה בין משדר למקבלי מקלט, גרפן מאפשר שיעורי העברת חשמל גבוהים יותר ללא מגבלות תרמיות בטוחות יותר.זה אומר כי מכשירים יכולים לטעון מהר יותר ללא חימום יתר.לדוגמה, טלפון חכם מצויד עם מקלט מבוסס גרפן יכול להשיג טעינה מלאה בתוך 30 דקות, בהשוואה ל -60 עד 90 דקות עבור מערכות טעינה אלחוטיות גדולות יותר כמו מחשב נייד או טאבלטים, גם יכולות גורמות לחיסכון מהיר יותר של צ'י זמן יכול להיות טיפול מוקדם יותר של דחיסות.

גמישות וחדשנות של Form Factor

אחד היתרונות המשכנעים ביותר של גרפן הוא הגמישות המכנית שלו. בעוד סלילי נחושת הם נוקשים ודורשים מיקום זהיר בתוך מכשיר, סרטים גרפין ניתן להדפיס או להפקיד על תת-שכבות גמישות.זה פותח את הדלת לרכיבים טעינה אלחוטית שניתן להטמיע בתוך משטחים מעוקלים, תצוגות אלחוטיות, להקות אלחוטיות, ואפילו בגדים.

ניהול עליון Thermal Management

חום הוא אתגר מתמשך בטעינה אלחוטית.הפסדי אנרגיה ב סלילים ואלקטרוניקה כוח לייצר חום שיכול להפיג את חיי הסוללה, לפגוע ברכיבים רגישים, וליצור אי נוחות של המשתמש.ההתנהגות התרמית של Graphene היא בין הגבוהים ביותר של כל חומר, הרבה יותר גבוה מזה של נחושת או אלומיניום.על ידי שילוב שכבות גרפין אלחוטיות לתוך סליל הטעינה או התפשטות חום שמסביב, אנרגיה תרמית יכול להיות מתפזר במהירות מנקודות חמות יותר, אך לא רק כדי לשפר את רמת בטיחות גבוהה יותר, אלא גם כן, אלא גם כן, אך מאפשר מגבלות יעילות יותר.

מחקר ופיתוח מסחרי

מחקר אקדמי ומוסד

מוסדות מחקר ברחבי העולם חוקרים באופן פעיל העברת כוח אלחוטי מבוסס גרפן.מדענים באוניברסיטת מנצ'סטר, שם גרפן היה מבודד לראשונה, הפגינו אנאנטות גרפן יעילות מאוד עבור קצירת אנרגיה וטעינה אלחוטית. חוקרים באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי פיתח סלילים מבוססי גרפן עם תכונות הפיכה משופרות כי שמירה על יעילות על פני מרחקים ארוכים יותר.

תחום מרכזי במחקר מתמקד בייצור של סרטי גרפן באיכות גבוהה בקנה מידה. ⁇ כימית (CVD) התפתחה כשיטה מובילה לייצור סרטים גרפן גדול עם תכונות חשמל עקביות.התפתחויות האחרונות בעיבוד CVD רול-to-roll הביאו עלויות ושיפור באמצעות חישוב, מה שהופך אותו אפשרי לשקול גרפן עבור מוצרים אלחוטיים בתוך שנתיים עד שלוש שנים.

השקעות בתעשייה ופרוטוטיפים

כמה חברות נעות מעבר לשלב המחקר ופיתוח אבטיפוס מסחרי. Real Graphene, חברה המבוססת בדרום קוריאה, הוכיחה כי גרפן-enhanced טעינה אלחוטית כי לטעון לטעון סמארטפונים עד 50 אחוזים מהר יותר מאשר מטעני צ'י קונבנציונליים.החברה משתמשת חומר מורכב גרף מבוסס גרפן עבור סלילים וחום גרפן להתפשט עבור ניהול תרמי.

יצרנית האלקטרוניקה הסינית Xiaomi הגישה פטנטים עבור רכיבי טעינה אלחוטיים מבוססי גרפן שיכולים להופיע במודלים עתידיים של טלפונים חכמים.במגזר הרכב החשמלי, חוקרים מאוניברסיטת ווטרלו שיתפו פעולה עם ספקי רכב לפתח כריות טעינה אלחוטיות מבוססות גרפן עבור EVs שיכולים להתמודד עם רמות כוח מעל 20 קילווואט עם משקל מופחת ומשפר.

Graphene ב- Next-Generation Wireless Charging Applications

מוצרי אלקטרוניקה

שוק האלקטרוניקה הצרכני נשאר הבסיס העיקרי לחדשנות טעינה אלחוטית.סמארטפונים, אוזניות אלחוטיות אמיתיות, שעונים חכמים, ומחשבים ניידים כולם נהנים מטעינה אלחוטית של גרפן-enhanced.שילוב של טעינה מהירה יותר, פעולה קרירה, וגמישות עיצובית הופכת את גרפן אטרקטיבי עבור יצרנים המבקשים להבדיל את המוצרים שלהם. כמו מכשירים מתקפלים וגלגלים להיות נפוץ יותר, הגמישות של גרפן הופך אפילו קריטי יותר.

רכב חשמלי

טעינה אלחוטית עבור כלי רכב חשמליים היא אחת האפליקציות המבטיחות ביותר של הטכנולוגיה הזו.מערכות טעינה אלחוטיות נוכחיות הן כבדות, יקרות, והן סובלות מהפסדים משמעותיים בצריכת החשמל הנדרשת עבור טעינה לרכב. Graphene מציעה נתיב קדימה.על ידי שימוש ב-Gemene מבוסס סלילים הן על כריות הפיכה אלחוטית והן על מקלט הרכב, ניתן להפחית במשקל, לשפר את ניהול תרמי, להשיג יעילות מעל 95% זה לא רק כדי למנוע יעילות אופטיקה, אלא גם כן, אלא גם כן, אך לא יעיל יותר מאשר טעינה על פני צריכת חשמל אלחוטית, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם על פני שטחית טעינה יעילה יותר מאשר טעינה אלחוטית, אלא גם על פני השטחית, אלא גם על פני השטחית טעינה, אלא גם על ידי טעינה יעילה יותר מאשר על ידי טעינה, אלא גם על ידי טעינה, מאשר על ידי טעינה יעילה יותר מאשר על ידי טעינה אלחוטית, אך ורק על ידי טעינה על ידי טעינה אלחוטית, מאשר על ידי טעינה יעילה יותר מאשר עומסי רכב יעיל יותר מאשר עומסי רכב יעיל יותר מאשר עומסי לחץ על ידי טעינה על ידי טעינה אלחוטית חומרים גמישה על ידי טעינה על ידי טעינה

שתלים רפואיים

מכשירים רפואיים כגון קוצרים, גירוי עצבי, וחיישנים מותאמים דורשים משלוח חשמל אלחוטי אמין ללא חוטים שיכולים לגרום לזיהום או להגביל את הניידות של המטופל. ביו-גמישות, גמישות, ו מוליכות גבוהה להפוך אותו חומר אידיאלי עבור שתלים טעינה מושתלים. החוקרים מפתחים מקלטים מבוססי גרפן שניתן לשלב לתוך המכשיר, טעון חיצוני באמצעות העור מינימלי של פחות נוחות, כמו גם את הנוחות של המטופל פחות, יכול להיות שיפור קטן יותר, כמו גם גרף קטן יותר, כי יכול להיות משולב.

אינטרנט תעשייתי וחיישנים

האינטרנט התעשייתי של דברים (IIoT) מסתמך על רשתות עצומות של חיישנים ופועלים הפועלים בסביבה קשה.שינוי סוללות במכשירים אלה הוא לעתים קרובות לא מעשי או מסוכן. Graphene-enhanced Wireless מערכות טעינה אלחוטית יכול לספק אספקה אמינה לחיישנים במפעלים, צינורות, ניטור תחנות כוח מרחוק.

אתגרים ומגבלות

עלויות הייצור ו-Salability

למרות התקדמות משמעותית, הפקת גרפן באיכות גבוהה בעלות המתחרה עם נחושת נותרה אתגר. שיטות CVD מניבות איכות חומרית מעולה, אך עדיין יקרות יחסית לתהליכי ייצור מזהמים קונבנציונליים. גישות חלופיות כגון הפחתה חד-חמצני או ירידה בנוזל לייצר חומר בעלות נמוכה יותר, אך עם ביצועים חשמליים מופחתים.

שילוב עם סטנדרטים קיימים

המערכת האקולוגית האלחוטית בנויה סביב סטנדרטים מבוססים כגון צ'י, AirFuel, ו SAE J2954 עבור כלי רכב חשמליים. Graphene-enhanced coils חייב להיות תואם לסטנדרטים אלה כדי להשיג אימוץ שוק. בעוד ש-Gearene coils יכול להיות מתוכנן לעמוד במפרט הקיים, היתרונות המלאים של גרפן - כגון טעינה מהירה וגמישות קיצונית - ייתכן לדרוש סטנדרטים חדשים כי אופטימיזציה לנכסים ייחודיים של גרפן עשוי להיות מסוגל לפתח גרף זה יכול להיות לא לפתח אורגניזמים מסחריים.

ביצועים ארוכים וארוכים

בעוד גרפן עצמו חזק במיוחד ויציב מבחינה כימית, הביצועים של סלילים מבוססי גרפן בעולם האמיתי יישומים טעינה אלחוטית תלוי באיכות של הממשק בין גרפן לחומרים אחרים.לאורך זמן, רכיבה על אופניים תרמיים חוזרים, לחץ מכני וחשיפה לחות יכול להפיג את התכונות החשמליות של סרטי גרפן.

עתידו של Graphene-Enabled Wireless Charging

המסלול של מחקר גרפן מציע כי החומר יהיה מרכיב סטנדרטי במערכות טעינה אלחוטיות בתוך חמש עד עשר שנים הבאות.המשך שיפורים בשיטות ייצור גרפן, בשילוב עם הביקוש גדל לפתרונות טעינה מהירים וגמישים יותר, הם מניעים השקעות וחדשנות על פני שרשרת האספקה.

  • (FLT:0)Hybrid Coil Architectures: הטמעת ההרחבה:1) חוקרים סלילים היברידיים המשלבים גרפן עם נחושת או מתכות אחרות כדי למנף את החוזקות של כל חומר. הליבה נחושת עם ציפוי גרפן יכול להציע התנהגות גבוהה בעלות נמוכה יותר מאשר גרפן טהור, בעוד סליל נחושת עטוף גרפן יכול לספק ניהול תרמי משופר ללא הקרבה מכנית חזקה.
  • (FLT:0)Printed Graphene Electronics:FLT:1 Advances inkjet Print and Screen Print of Graphene inks מאפשר את ההגדרה הישירה של טעינה אלחוטית סלילים על תת-שכבות גמישות.זה יכול להפחית עלויות הייצור ולאפשר הדבקה מהירה של רכיבים הטעינה מותאם אישית עבור מכשירים מיוחדים.
  • (FLT:0) Multi-Device ו-ספאטלטלטל החירות: FLT:1 Graphene מבוסס מערך של סלילי משדר יכול לאפשר אזורי טעינה המספקים כוח למכשירים מרובים בו זמנית, ללא קשר לעמדה או אוריינטציה שלהם.חזון זה של "חינם" טעינה אלחוטית הוא מטרה עיקרית לדור הבא של תקני צ'י, ומאפיינים נמוכים של גרפן להפוך את היכולת הזו.
  • (FLT:0) אינטגרציה קצירת אנרגיה: FLT:1 היכולת של Graphene להמיר גלי אלקטרומגנטי לתוך זרם חשמלי עם יעילות גבוהה עושה את זה מתאים עבור איסוף אנרגיה. מכשירים עתידיים יכול לשלב לכידת אנרגיה אלחוטית עם קציר אנרגיה מאנרגיה ממתחמת מ Wi-Fi, אותות סלולריים, או מקורות אחרים, צמצום ההסתמכות על תשתיות ייעודיות.

מסקנה

השילוב יוצא דופן של Graphene של חשמל, תרמי ומכני תכונות למקם אותו כחומר אבן הפינה לדור הבא של טכנולוגיות טעינה אלחוטית.על ידי שיפור יעילות, המאפשר טעינה מהירה יותר, ומאפשר עיצובים גמישים, ולספק ניהול תרמי גבוה יותר, גרפן מתייחס למגבלות הדוחקות ביותר של מערכות מבוססות נחושת הנוכחית, מחקר ממשיך להתקדם בין מוסדות אקדמיים ומעבדות בתעשייה, עם כמה חברות המוכיחות אבטיפוסים בצורה יעילה כי לקראת מציאות מסחרית בעוד אתגרים, כמו עלות גבוהה יותר, כמו שיפור איכות גבוהה יותר, כמו גם עלות גבוהה יותר, כמו שיפור איכות גבוהה יותר, כמו פיתוח גבוהה יותר ויותר, כמו פיתוח גבוהה יותר ויותר, כמו פיתוח איכות גבוהה יותר ויותר, כמו פיתוח של איכות גבוהה יותר ויותר, כמו פיתוח איכות גבוהה יותר ויותר, כמו פיתוח איכות הסביבה.