Wi-Fi赐予我电量吧——MIT的“真”无线充电设备

智能手机已经成了我们大多数人日常生活必不可少的伙伴。随着手机性能的日益增长，其耗电量也在不断增加，新型、方便、快捷的充电手段也越来越受关注。自2012年Nokia首次推出Qi标准无线充电（即磁感应无线充电）手机Lumia 920开始 ^[1]，“无线充电”作为一项吸引眼球的新功能，如今已是不少旗舰手机的标配。虽然已经应用多年，大众似乎对这一新技术并不感冒。究其原因主要是这一充电手段并不能完全摆脱充电头和插座的依赖，比起传统的“线充”，目前的“无线充电”还需要多带一个需要插电的无线充电基板，所以也被一些媒体称为“华而不实的噱头”。另外，这个技术本身还有不少问题影响用户体验：（1）可充电区域太小。充电时需要专门摆放好手机，否则充不上电；（2）充电过程中手机温度升高。这是由于电磁转换会产生不必要的热量，只能通过降低充电功率来减小影响；（3）最后就是充电速度通常慢于有线充电速度。目前，一些厂商的有线超级快充已经可以达40瓦的充电功率，而无线充电只能达到最高15瓦左右。

图1. 手机无线充电。图片来源：华为^[2]

想要充电时真正摆脱电线的困扰，从环境中的电磁波汲取能量可能是一个选择。想象一下，手机没电的时候，打开“真”无线充电功能一会就有了电救命，是不是很奇幻？这让笔者想起小时候看过的动漫场景——举起宝剑对着天空大喊一声“赐予我力量吧”， 顿时在电闪雷鸣中变身超级英雄（图2）。

图2. 图片来源：Slashgear ^[3]

近日，美国麻省理工学院（MIT）的Tomás Palacios等研究者已经朝着这个方向迈出了一步。他们在Nature 杂志报道了一个柔性装置，可以将包括Wi-Fi信号在内的射频能量转换成电能。这个装置的核心是基于二硫化钼（MoS₂）半导体金属相异质结的原子级厚度柔性整流器（也就是一种肖特基二极管），工作频率可高达10 GHz，进入了X波段（8-12 GHz），覆盖了全球卫星定位（1.58 GHz和1.22 GHz）、蓝牙（2.4 GHz）、Wi-Fi（2.4 GHz和5.9 GHz）、4G LTE（1.7 GHz和1.9 GHz）甚至还没有完全推广使用的5G等频段。通过将这种超快的MoS₂整流器与一个柔性的Wi-Fi天线集成，他们制造了一个完全柔性的集成整流天线（rectenna），实现了Wi-Fi信号的无线能量收集。

无线能量传输这个概念其实已经提出了上百年，早在1901年，现代交流电系统的奠基人尼古拉•特斯拉（Nikola Tesla）就已经获得了无线电力传输的一项专利 ^[4]。此后，以硅等刚性材料为基础的器件也实现了高效的射频能量收集。但在柔性电子系统中，由于目前柔性半导体材料性能的限制，高效率收集射频能量尤其是高频段的射频能量，仍然是一个巨大的挑战。

Nikola Tesla。图片来源于网络

在这项工作中，MIT的研究者使用了一种新兴的二维材料MoS₂，它只有三个原子厚，是世界上最薄的半导体之一。研究者利用了MoS₂的一种独特行为：当接触到某些化学物质时，材料的原子会以一种类似“开关”的方式重新排列，导致从半导体到金属材料的相变。基于所产生的半导体-金属（2H-1T/1T'）相结，他们构建了一个超快肖特基二极管（Schottky diode）（图3a）。这种完全柔性肖特基二极管具有很好的电流响应率（4.7 A W^-1），性能可与刚性硅基肖特基二极管相媲美。

图3. 基于二维MoS₂异质结构肖特基二极管的柔性整流天线。图片来源：Nature

为了研究这种柔性MoS₂肖特基二极管的高频性能，作者使用矢量网络分析仪进行了散射参数（S参数）的测量，并使用共面传输线和G-S-G探针结构（图4a上）来表征高频下的设备，此外还建立了一个MoS₂肖特基二极管的等效电路（图4a下）。他们发现，这种柔性MoS₂肖特基二极管的串联电阻和寄生电容都被最大程度的降低了，寄生电容比现有最先进的柔性整流器小一个数量级，因此这种MoS₂肖特基二极管的信号转换要快得多，可以捕获和转换高达10 GHz的无线信号。

图4. 柔性MoS₂整流器的S参数测量与等效电路建模。图片来源：Nature

如预期的那样，不同频率下，器件的整流输出电压V_out随着输入二极管的射频功率的增加而增加（图5a）。后续测试中，在Wi-Fi的2.4 GHz频段下，输入功率为−0.7 dbm时，器件能量收集的最大功率效率可达到40.1%（图5b）。在约5 mW的输入射频功率下，可获得3.5 V的输出电压（图5c）。研究者将这种超快柔性MoS₂整流器与一个柔性的Wi-Fi天线集成，制造了一个完全柔性的集成整流天线（图5d/5e），来验证Wi-Fi信号无线能量收集。这种柔性的MoS₂整流天线成功实现了Wi-Fi信道（5.9 GHz）能量的无线收集，并产生了最高250 mV的整流输出电压（距商用Wi-Fi发射机的发射天线约2.5 cm）。

图5. MoS₂相结整流天线用于无线射频能量收集。图片来源：Nature

随着物联网和移动互联网的发展，我们身边的电子设备越来越多，都使用目前的锂电池供电在成本和操作上来看都不现实。除此之外，可穿戴设备、植入型医疗设备等都需要真正的无线充电或者无线供电。Tomás Palacios教授在谈到本研究时，提到了他一直以来在思考的问题，如果将来在桥上、高速公路上或者办公室的墙壁上都是电子设备，“你如何为这些电子产品提供能量？”。既然现代世界充满了包括Wi-Fi信号在内的各种波段的电磁波，那么，从它们身上汲取能源无疑是明智之举。^[3,5]

当然，本文中的柔性无线能量收集器件仅仅是实验室的概念验证，在常规Wi-Fi信号中的直流输出功率也只有40微瓦左右，可以点亮一颗LED灯珠或者为几个芯片供电，但与智能手机数十瓦的充电功率要求差距甚远。不过，笔者相信，如今科技进步如此之快，未来肯定能实现数据信号和电能的同时传输。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Two-dimensional MoS₂-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting

Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus, Tomás Palacios

Nature, 2019, 566, 368–372, DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1

参考文献：

1.https://en.wikipedia.org/wiki/Qi_(standard)

2.https://consumer.huawei.com/cn/phones/mate20-pro/

3.https://www.slashgear.com/research-here-come-wi-fi-power-harvesting-batteries-30564069/

4. Apparatus for utilizing effects transmitted from a distance to a receiving device through natural media. US Patent 685955 (1901)

5.http://news.mit.edu/2019/converting-wi-fi-signals-electricity-0128

（本文由叶舞知秋供稿）