Table of Contents

Введение: IoT Power Challenges и обещание графена

Быстрое распространение устройств Интернета вещей (IoT) создало насущную потребность в энергетических решениях, которые выходят за рамки обычных батарей и проводных соединений. Миллиарды датчиков, носимых устройств и встроенных устройств теперь работают в средах, где замена батареи монетных ячеек каждые несколько месяцев непрактична - промышленные станции мониторинга, сельскохозяйственные полевые узлы, медицинские имплантаты и инфраструктура интеллектуального строительства страдают от одного и того же ограничения: доступ к энергии. Технологии беспроводной передачи энергии (WPT) появились в качестве критического фактора для действительно автономных экосистем IoT, а графен - один атомный слой углерода с необычными свойствами - готов превратить WPT из нишевого потенциала в основной метод доставки энергии.

Традиционные подходы WPT, такие как индуктивная связь и резонансная магнитная связь, хорошо работают для приложений с малым радиусом действия, малой мощностью, но страдают от потерь эффективности, громоздкости и ограниченной гибкости. Графен, обнаруженный в 2004 году и теперь производимый в пленках большой площади, предлагает комбинацию электрических, тепловых и механических признаков, которые непосредственно устраняют эти ограничения. Его мобильность несущих превышает 200 000 см2 / В·с, теплопроводность приближается к 5000 Вт / м·К, а механическая гибкость позволяет ему соответствовать изогнутым поверхностям без трещин. Эти характеристики делают графен идеальной платформой для компонентов WPT следующего поколения - антенн, ректенн, резонансных катушек и энергосберегающих интерфейсов - которые могут работать на более высоких частотах, обрабатывать большую плотность мощности и беспрепятственно интегрироваться в тонкие, легкие устройства IoT.

Уникальные свойства графена для беспроводной передачи энергии

Исключительная электропроводность

Электрическая проводимость графена на несколько порядков выше, чем у меди, но она имеет толщину всего лишь одного атома. В контексте WPT это означает более низкие омические потери в передающих и принимающих катушках, что непосредственно приводит к более высокой эффективности передачи мощности (PTE) на заданном расстоянии. Для резонансных индуктивных систем связи коэффициент качества (FLT:0]Q ) катушки пропорционален ее проводимости; катушка на основе графена может достигать значений Q ], которые в 10-20 раз выше, чем эквивалентные медные катушки на той же рабочей частоте. Это улучшение особенно ценно в среднем диапазоне (10-50 см) WPT, где эффективность быстро падает с расстоянием.

Механическая гибкость и тонкость

Устройства IoT поставляются во все более разнообразных форм-факторах - умные контактные линзы, эпидермальные пластыри, гибкие дисплеи и даже биоразлагаемые датчики окружающей среды. Тонкость на атомном уровне графена (0,345 нм на слой) и внутренняя гибкость позволяют встраивать компоненты WPT в эти нетрадиционные подложки без добавления объемной или жесткой. Производство графеновых пленок в рулоне было продемонстрировано на уровне метра, что делает возможным производство гибких графеновых антенн и катушек, которые можно ламинировать на пластиковые или текстильные подложки. Это открывает дверь для носимых устройств, которые можно беспроводным образом заряжать, просто помещая рядом с зарядным ковриком, встроенным в стол или одежду.

Высший термический менеджмент

Теплоотвод является постоянной проблемой в системах WPT, особенно по мере увеличения уровня мощности. Плохое управление тепловыми потоками приводит к снижению эффективности, старению компонентов и рискам безопасности. Теплопроводность графена - примерно в 10 раз больше, чем у меди - позволяет ему действовать как интегрированный теплораспределитель, отводя тепло от цепи катушки или выпрямителя. Эта пассивная способность охлаждения продлевает срок службы устройств IoT и позволяет более высокие скорости передачи энергии без теплового бегства. На практике приемник WPT с графеном может поддерживать непрерывное потребление энергии 5 Вт без необходимости тепловой розетки, тогда как традиционная конструкция на основе меди потребует дополнительной тепловой массы.

Широкополосный частотный отклик

Многие системы WPT теперь работают в диапазоне низких гигагерц (2,4 ГГц, 5,8 ГГц и далее), чтобы воспользоваться преимуществами меньшей геометрии антенн и менее переполненных диапазонов ISM. Графен поддерживает поверхностные плазмонные поляритоны в терагерцовом диапазоне, но даже на микроволновых частотах его низкое поверхностное сопротивление и высокая подвижность электронов дают широкополосную производительность. Это означает, что одна графеновая антенна может быть разработана для покрытия нескольких стандартов WPT (Qi, Rezence, AirFuel и собственные полосы сбора радиочастот) без необходимости отдельных настроенных элементов - значительное упрощение для мультимодальных устройств IoT.

Основные технологии WPT с поддержкой графена

Графеновые резонансные катушки для индуктивного и резонансного соединения

Индуктивная и резонансная магнитная связь остаются наиболее зрелыми методами WPT, используемыми во всем, от потребительских зарядных площадок до медицинских имплантатов. Заменяя медные обмотки распыленными или выращенными на CVD графеновыми пленками, исследователи продемонстрировали катушки, которые доставляют до 85% PTE при диаметре катушки 10 мм с диаметром катушки 12 мм. Низкая масса графеновых катушек также снижает механическое напряжение на пайковых соединениях и корпусе, что является преимуществом для устройств, подверженных вибрации или температурному циклу. Когда несколько слоев графена сложены (несколько слоев графена), сопротивление листа падает дальше, приближаясь к сольному металлу при сохранении гибкости.

Графеновые ректенны для сбора энергии РФ

Ректоризирующие антенны — ректенны — преобразуют окружающую радиочастотную энергию (от Wi-Fi, сотовой связи, широковещательного телевидения) в мощность постоянного тока. Высокая подвижность электронов графена делает его отличным кандидатом для диода Шоттки, интегрированного в точку подачи антенны. Недавние работы позволили получить графеновые ректенны с эффективностью выпрямления выше 60% при 2,45 ГГц и до 40% эффективностью преобразования от окружающего излучения до -20 дБм. Эти уровни производительности достаточны для просачивания-заряда датчиков IoT, которые требуют микро-до милливатт, таких как регистраторы температуры или влажности. В сочетании с суперконденсаторами графеновые ректенны могут поддерживать прерывистую работу без первичной батареи.

Графен-усиленный перенос мощности

Емкостная беспроводная передача мощности (CPT) использует электрические поля, а не магнитные поля, и привлекательна для приложений, где металлические объекты могут мешать индуктивным катушкам. Высокая площадь поверхности графена и проводимость позволяют изготавливать прозрачные, гибкие пластинчатые электроды, которые могут быть встроены в корпус устройства. CPT с графеновыми электродами достиг плотности передачи мощности на уровне киловатт при киловольтных потенциалах переменного тока, но для IoT основное внимание уделяется низкоэнергетической высокоэффективной связи через тонкие диэлектрики. Графеновые электроды устраняют необходимость в громоздких медных фольгах, что делает CPT более жизнеспособным для потребительских продуктов IoT, таких как умные очки или наушники, которые должны оставаться легкими.

Последние исследования и прорывы

Исследование 2022 года в Nature Communications продемонстрировало беспроводной приемник питания на основе графена, который достиг 90% эффективности за 5 см разрыв — улучшение на 15 процентных пунктов по сравнению с сопоставимой медной системой при той же геометрии Nature Communications. Ключевым новшеством была многослойная графеновая катушка с пошатнувшейся межслойной контактной конструкцией, которая минимизировала потери вихревого тока.

Исследователи из Манчестерского университета и Барселонского института науки и технологий разработали графеновую ректенну Шоттки, которая собирает энергию РФ в диапазоне 0,8-3 ГГц с пиковой эффективностью 41% при входной мощности 0 дБм (]Nano Energy, 2022]. Эта ректенна работает на гибких полиэтилентерефталатных (ПЭТ) подложках, что делает ее пригодной для интеграции в интеллектуальную упаковку и медицинские пластыри.

Еще один заметный прогресс происходит из Корейского института науки и техники (KIST), где модуль сбора энергии на основе графена объединил катушки WPT с термоэлектрическими генераторами для производства гибридной системы, которая обеспечивает 2,5 Вт непрерывно в типичных условиях в помещении (]KIST Research Highlight. Графеновый слой служил как индуктивной катушкой, так и в качестве теплораспределителя для модуля TEG, уменьшая общий вес на 60% по сравнению с гибридом на основе меди.

Промышленные исследования также ускоряются. В 2023 году консорциум во главе с партнером Graphene Flagship AIXTRON успешно перенес приемник графена WPT большой площади в коммерческую интеллектуальную сенсорную платформу, достигнув продления срока службы 3× по сравнению с работой только на аккумуляторе (]Graphene Flagship). Такие демонстрации указывают на то, что технология переходит от лаборатории к практическому развертыванию.

Приложения в IoT

Умное сельское хозяйство

Беспроводные сенсорные сети на фермах требуют узлов, которые могут быть захоронены в почве, прикреплены к движущимся машинам или помещены на ошейники животных. WPT с поддержкой графена позволяет заряжать эти узлы с помощью автономного дрона или фиксированного передатчика, работающего на солнечной энергии. Приемник графеновой катушки может быть инкапсулирован в прочную, гибкую упаковку, которая выдерживает влажность и температурные колебания. Испытания с датчиками почвенной влаги с использованием графена WPT показали надежную работу на глубинах 5-10 см с воздушным зазором 30 см, избегая необходимости в батареях, которые могут протекать химические вещества в землю.

Носимые мониторы здоровья

Непрерывный мониторинг состояния здоровья зависит от устройств, которые носят в течение нескольких дней или недель — умные пластыри для ЭКГ, зондирования глюкозы или доставки лекарств. Гибкость графена позволяет приемнику энергии быть частью самого пластыря, а не отдельным ключом. Больницы могут вставлять коврики для зарядки графена WPT в кровати и стулья, позволяя пассивную подзарядку во время отдыха пациента. Низкий профиль графеновых приемников (до 0,5 мм общей толщины) означает, что пластырь остается ненавязчивым и удобным. Кроме того, отличное управление температурой предотвращает раздражение кожи от локализованного нагрева во время зарядки.

Промышленный IoT и автоматизация

На заводах вращающиеся машины, конвейерные ленты и датчики труб не могут быть легко подключены. Приемники графена WPT могут быть соединены непосредственно с металлическими поверхностями с помощью изоляционных слоев, а высокочастотная работа уменьшает помехи промышленной робототехнике. Широкая частотная реакция графеновых антенн позволяет одному датчику получать мощность от либо выделенного передатчика, либо от источников окружающей радиочастоты, обеспечивая избыточность в случае отказа передатчика. Одним из вариантов использования является мониторинг температуры и вибрации на подшипниках; модуль графена WPT может перезаряжать суперконденсатор в течение нескольких секунд во время каждой революции, тем самым позволяя вечную работу без обслуживания.

Мониторинг окружающей среды

Датчики удаленной окружающей среды - качество воздуха, рН воды, отслеживание дикой природы - часто полагаются на солнечные панели, которые выходят из строя в условиях низкой освещенности или затененных условиях. Графеновая решетка, встроенная в корпус датчика, может собирать радиочастотную энергию (AM / FM, телевизор, сотовая связь) для дополнения или замены солнечной энергии. Поскольку графеновые ретентны тонкие и прозрачные, они могут быть наложены на солнечные элементы, не блокируя слишком много света, создавая гибридный сборщик энергии. Развертывания в навесах тропических лесов и арктической тундре продемонстрировали, что такие устройства могут поддерживать связь и мощность в течение нескольких месяцев без обслуживания.

Умные дома и потребительские гаджеты

Потребительский IoT — умные динамики, дверные замки, переключатели света — можно упростить с помощью графеновых зарядных поверхностей WPT, которые невидимы внутри мебели. Графеновые катушки можно печатать на обоях или встраивать в столешницы, позволяя устройствам заряжаться просто путем размещения в определенной зоне. Поскольку графен нагревается меньше, чем медь, зарядные поверхности могут быть интегрированы в ткани (диванные руки, автомобильные сиденья) без риска возгорания. Эстетическая польза также значительна: графеновые пленки почти прозрачны (97 % видимой передачи света), поэтому зарядные катушки можно размещать на дисплее или окнах, не заслоняя вид.

Проблемы и ограничения

Масштабируемость и стоимость производства

Несмотря на быстрый прогресс, синтез графена большой площади с постоянным качеством остается дорогим. Химическое осаждение паров (CVD) на медной фольге производит пленки самого высокого качества, но передача их на целевые субстраты без морщин или слез является низкопроизводительным процессом. Инковая печать оксида графена (GO) с последующим сокращением более масштабируема, но дает более высокую стойкость листа и более низкую мобильность носителя, что снижает эффективность WPT. Стоимость квадратного сантиметра графена CVD по-прежнему на порядки выше, чем у медной фольги, что делает его неэкономичным для очень недорогих датчиков IoT. Однако пилотные линии, подобные тем, которые от флагмана графена, снижают затраты; прогнозы предполагают паритет с медью в производстве большого объема к 2027 году.

Эффективные торговые операции на более низких уровнях мощности

Преимущество графена в проводимости наиболее выражено на высоких частотах и высокой плотности мощности. Для устройств IoT, которые требуют только микроватт (например, датчики температуры, отобранные один раз в час), повышение эффективности от графена может быть незначительным, а дополнительная сложность интеграции чистого графенового элемента может быть не оправдана. При этих низких уровнях мощности более простые аморфно-кремниевые или основанные на ПХБ антенны работают адекватно. Точка безубыточности, где улучшение производительности графена перевешивает его стоимость, составляет около 1-10 мВт принятой мощности, которая охватывает многие активные датчики IoT, но не все.

Интеграция с существующими экосистемами

Сегодняшние стандарты WPT (Qi, Power Matters Alliance, AirFuel) были разработаны с медными катушками и традиционными выпрямителями. Замена их графеновыми компонентами требует либо обновления стандартов для учета различных сочетаний и настройки импеданса, либо того, что производители устройств принимают запатентованные графеновые приемники, которые обратно совместимы с помощью адаптеров. Последний подход фрагментирует рынок и разочаровывает потребителей. Отраслевые консорциумы начинают определять спецификации, совместимые с графеном, но широкое внедрение займет годы.

Безопасность и регуляторные барьеры

Беспроводная передача энергии, особенно при более высоких мощностях и частотах, вызывает опасения по поводу удельной скорости поглощения (SAR) и электромагнитной совместимости (EMC). Графеновые антенны, которые работают в полосе 5,8 ГГц, могут потребовать более жесткой фильтрации, чтобы избежать вмешательства в Wi-Fi или радар. Кроме того, тепловые преимущества графена означают, что передатчики WPT могут быть приведены в действие более жесткими, но нормативные ограничения на максимальную напряженность поля (например, FCC Part 18 для оборудования ISM) по-прежнему применяются. Производители должны продемонстрировать, что системы на основе графена соответствуют существующим стандартам безопасности, которые были сформулированы с учетом традиционных медных систем. Новые протоколы испытаний могут потребоваться для учета различных профилей распределения поля и рассеивания тепла графеновых катушек.

Будущие перспективы

Сближение с 5G/6G и универсальной мощностью

Планируемые массивы MIMO и плотные развертывания малых ячеек в сетях 5G и 6G создают возможность для копирования беспроводной передачи энергии на сигналы связи. Графеновые антенны могут быть разработаны для одновременной обработки связи и приема энергии в различных частотных диапазонах, что позволяет «беспроводной энергосети», где устройства IoT всегда находятся в пределах досягаемости пучка питания. Исследования на графеновых фазированных антенных лучах показывают перспективы как для управления пучком, так и для исправления. В сценарии 6G терагерцовые частоты (0,1-10 ТГц) становятся доступными; плазмонные свойства графена особенно эффективны в этом диапазоне, позволяя на чипе уборщики энергии, которые имеют микрометровый размер.

Гибридный сбор энергии

Будущие IoT-устройства, скорее всего, объединят тепловую, механическую, солнечную и радиочастотную уборку в единый пакет. Многофункциональность графена делает его естественным кандидатом для таких гибридных систем: один графеновый слой может служить прозрачным электродом для солнечного элемента, в качестве теплораспределителя для TEG и в качестве антенны для радиочастотной уборки. Несколько исследовательских групп работают над «графеновыми силовыми плитками», которые интегрируют все эти функции в ламинат толщиной 1 мм. Ранние прототипы показывают 50% увеличение общей собранной энергии по сравнению с отдельными дискретными компонентами.

Стандартизация и совместимость

Международный консорциум беспроводной энергии инициировал исследовательскую группу по передовым материалам, и графен является центральной темой. Усилия по стандартизации будут определять профили импедансной катушки графена, протоколы зарядки для гибких приемников и методы испытаний на долговечность сгибаемого цикла. Это важно, потому что устройства IoT часто развертываются в течение 5-10 лет без замены; приемник WPT должен выдерживать тысячи циклов заряда и экологического стресса. Стандартные тесты для деламинации графеновой катушки и дрейфа проводимости при циклической нагрузке разрабатываются в таких учреждениях, как NIST.

Потенциал для IoT с нулевым обслуживанием

Конечным видением является устройство IoT, которое получает всю свою энергию беспроводным способом и никогда не нуждается в замене батареи. С помощью графена WPT работает с эффективностью > 80% на расстояниях до 1 м (с использованием резонансного формирования луча), сенсорные сети в умных городах, мостах, трубопроводах и лесах могут функционировать бесконечно с помощью центрального передатчика. В сочетании с микроконтроллерами сверхнизкой мощности и энергоавтономными датчиками общая стоимость энергии системы становится незначительной. Графен является ключевым материалом, который делает это повышение эффективности возможным без добавления размера или веса.

Заключение

Технологии беспроводной передачи энергии с поддержкой графена представляют собой фундаментальный сдвиг в том, как устройства IoT проектируются и развертываются. Используя непревзойденную проводимость, гибкость, управление температурой и широкополосный отклик графена, инженеры могут создавать приемники и передатчики WPT, которые превосходят традиционные системы на основе меди, обеспечивая при этом новые форм-факторы. Недавние прорывы в графеновых ректеннах, резонансных катушках и гибридных комбайнах уже продемонстрировали значительные достижения в эффективности, дальности и простоте интеграции. Проблемы остаются в производственном масштабе, снижении затрат и стандартизации, но траектория ясна: по мере созревания производственных технологий графен станет материалом по умолчанию для беспроводной мощности в IoT. В предстоящем десятилетии датчики без батареи, автономные носимые устройства и промышленные мониторы без обслуживания станут нормой - питаются не более чем тонким слоем атомов углерода, расположенных в идеальной решетке.