Keine zusätzlichen Schritte erforderlich, einfach aufkleben und schon können Sie aufladen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yiyan Science Team

Hersteller: China Science Expo

Das kabellose Laden wird zunehmend zu einem Teil des täglichen Aufladens elektronischer Geräte. Von elektrischen Zahnbürsten über Smartarmbänder bis hin zu Mobiltelefonen nehmen die Anwendungsszenarien des kabellosen Ladens zu. Es vereinfacht nicht nur den Ladevorgang, sondern befreit uns auch von den Zwängen der Ladekabel. Das Aufladen erfolgt durch einfaches Aufkleben, was ist das Prinzip?

Kabelloses Laden, auch als induktives Laden oder drahtlose Energieübertragung bekannt, ist eigentlich eine Technologie, mit der Geräte aufgeladen werden können, ohne dass zwischen dem elektronischen Gerät und der Ladeplattform ein Ladekabel angeschlossen werden muss.

Ein Mobiltelefon wird drahtlos aufgeladen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die häufigste Anwendung des kabellosen Ladens für elektronische Geräte basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Das heißt, in einem geschlossenen Stromkreis wird ein induzierter Strom erzeugt, wenn sich der durch den Stromkreis fließende magnetische Fluss ändert.

Für die Implementierung des kabellosen Ladens sind normalerweise zwei Spulen erforderlich: eine Sendespule in der Ladeplattform und eine Empfangsspule im elektronischen Gerät. Wenn ein wechselnder Strom durch die Sendespule der Ladeplattform fließt, wird in der Spule ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. Wenn sich das elektronische Gerät in der Nähe der Ladeplattform befindet, erzeugt die Empfangsspule einen induzierten Strom, der durch das Schaltungssystem in Gleichstrom umgewandelt wird, um das Gerät aufzuladen.

Diagramm zum kabellosen Laden von Mobiltelefonen

(Bildquelle: Referenz 1)

Obwohl durch kabelloses Laden die Stromversorgung ohne das Einstecken von Kabeln wiederhergestellt werden kann, müssen Sender und Empfänger die Standort- und Entfernungsanforderungen erfüllen. Die Übertragungsdistanz elektromagnetischer Induktion beträgt üblicherweise wenige Millimeter bis wenige Zentimeter und wird auch durch die Ausrichtung der Spule beeinflusst. Beim kabellosen Laden ist die Ladegeschwindigkeit umso höher, je näher und besser die Spulen ausgerichtet sind.

Manche Leute denken vielleicht, dass das Aufladen durch „Aufkleben eines Pflasters“ immer noch nicht sehr praktisch ist. Ist das Laden ohne Aufkleben eines Patches möglich?

Kabelloses Laden auf Distanz

Ein weiteres Prinzip für kabellose Ladeanwendungen ist die elektromagnetische Resonanz, die eine Energieübertragung über größere Entfernungen ermöglicht. Auch für die elektromagnetische Resonanz sind zwei Spulensätze erforderlich. Das Sendeende erzeugt durch einen Oszillator und eine Sendespule ein sich änderndes Magnetfeld. Da die Empfangsspule und die Sendespule am Empfangsende die gleiche Resonanzfrequenz haben, sind die Empfangsspule und die Sendespule stark gekoppelt, wodurch die magnetische Feldenergie in elektrische Energie umgewandelt wird und so eine drahtlose Übertragung elektrischer Energie ermöglicht wird.

Prinzipdiagramm der elektromagnetischen Resonanz

(Bildquelle: Referenz 2)

Im Jahr 2007 veröffentlichte ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology ein Forschungsergebnis in der Fachzeitschrift Science, das zeigte, dass eine Kupferspule mit einem Durchmesser von 25 cm unter dem starken Kopplungszustand der selbstresonanten Spule eine Energieübertragung über 2 Meter erreichen kann, mit einer Übertragungsleistung von 60 Watt, genug, um eine Glühbirne zum Leuchten zu bringen.

Magische Spulen – eine notwendige Voraussetzung für kabelloses Laden

Unabhängig davon, ob das Prinzip der elektromagnetischen Induktion oder das Prinzip der elektromagnetischen Resonanz verwendet wird, ist die Spule ein wichtiger Bestandteil der drahtlosen Ladetechnologie, und der durch die Spule verursachte Energieverlust hat einen großen Einfluss auf die Effizienz des drahtlosen Ladens.

Aus welchen Materialien bestehen kabellose Ladespulen?

Kupferspulen sind ein in der drahtlosen Ladetechnologie weit verbreitetes Material und werden hauptsächlich am Empfangsende des drahtlosen Ladens verwendet. Kupfer ist ein Metall mit extrem niedrigem spezifischen Widerstand und seine Leitfähigkeit ist nur der von Silber unterlegen. Es bietet die Vorteile niedriger Kosten und guter Duktilität. Darüber hinaus verfügt Kupfer über eine bessere Wärmeableitungswirkung und kann die beim Ladevorgang entstehende Wärme effektiv ableiten, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Kupferspule

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Litzendraht ist ein häufig verwendetes Spulenmaterial für drahtlose Ladegeräte. Dieser Drahttyp besteht aus mehreren miteinander verdrillten Strängen feiner Kupferdrähte. Ziel ist es, den Skin-Effekt (die ungleichmäßige Verteilung des Wechselstroms im Leiter) zu verringern und dadurch den Widerstand zu senken und die Effizienz der Energieübertragung zu verbessern.

Kabellose Ladespule

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Obwohl Spulen aus Metallmaterialien wie Kupfer eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweisen, werden sie häufig in kabellosen Ladespulen verwendet. Bei flexiblen elektronischen Geräten, die mit der Haut in Kontakt kommen, ist es jedoch schwierig, starre Spulen, beispielsweise aus Kupfer, je nach Anwendungsszenarien in unterschiedliche Formen zu bringen. Darüber hinaus benötigen drahtlos aufladbare elektronische Geräte neben der Spule auch eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie, was nicht nur die Größe des Geräts erhöht, sondern auch sein Gewicht erhöht. Ist es also möglich, elektrische Energie direkt in der Spule zu speichern, sodass keine Batterien mehr nötig sind?

Kohlefaserspule kann sowohl drahtlos aufladen als auch Strom speichern

Am 17. Oktober 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler im internationalen High-Level-Journal „Advanced Materials“ eine Forschungsarbeit zum Thema „Flexible Geräte aus Kohlenstofffasern“, die die Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern und die Eigenschaft, als Superkondensatorelektroden dienen zu können, nutzten, um eine Kombination aus kabellosem Laden und Energiespeicherung zu erreichen.

Die Forschungsergebnisse wurden in Advanced Materials veröffentlicht

(Bildquelle: Advanced Materials Magazine)

Ein Doppelschicht-Superkondensator ist ein Gerät, das zur Speicherung elektrischer Energie auf der Adsorption elektrostatischer Ladungen an Elektroden beruht. Es bietet den Vorteil der schnellen Aufladung und verwendet üblicherweise Kohlenstoffmaterialien als Elektroden. Auf dieser Grundlage bereiteten die Forscher ein 64 cm langes Stück flexibler Kohlefaser vor und tauchten ein Ende der Kohlefaser in eine Aufschlämmung aus Graphenoxid und Aktivkohle. Nach dem Trocknen und der Hochtemperaturbehandlung wurde eine Elektrode aus Kohlefaser/reduziertem Graphenoxid/Aktivkohle (CF@rGO/AC) erhalten.

Schematische Darstellung der Integration einer kabellosen Ladespule aus Kohlefaser und eines Superkondensators; B. Schematische Darstellung der Herstellung eines Superkondensators mit Kohlefaserspule

(Bildquelle: Referenz 3)

Die Forscher platzierten den Separator zwischen zwei identischen CF@rGO/AC-Elektroden, träufelten ionischen Flüssigelektrolyt hinein und umwickelten ihn mit Schrumpfschlauch, um an einem Ende der flexiblen Kohlenstofffaser einen Superkondensator zu bilden.

Dieser Superkondensator zeichnet sich durch eine einstellbare Elektrodenlänge und eine einstellbare Speicherenergie aus. Wenn die Elektrodenlänge 8 cm erreicht, kann die Kapazität des Superkondensators 1490 μWh und die Leistung 35,8 mW erreichen.

Das integrierte Kohlefasergerät besteht aus einer 62,5 cm langen Funkspule und einem 1,5 cm langen Superkondensator. Wenn der Außendurchmesser der Kohlefaserspule 6,8 cm beträgt, kann der Superkondensator bei einer Ladespannung von 3 V in 2 Sekunden aufgeladen werden. Die Kohlefaser-Spule ist in einer dreidimensionalen Federform gestapelt und die Ladeleistung kann 313 mW erreichen.

Schaltplan der kabellosen Ladespule aus Kohlefaser und des Superkondensators;

bd. Aktuelles Bild des integrierten Geräts aus Kohlefaser;

e. Diagramm der verschiedenen Außendurchmesser von Kohlefaser-Spulen sowie der kabellosen Ladezeit und des anfänglichen Entladestroms;

F. Diagramm des anfänglichen Ladestroms bei unterschiedlichen Außendurchmessern von Kohlefaser-Spulen;

g, h. Anwendungsbilder von in Armbändern und GPS für Haustiere integrierten Geräten aus Kohlefaser;

ich k. Integrierte Bauteile aus Kohlefaser treiben elektrische Ventilatoren, Lichtleisten und Spielzeugautos an

(Bildquelle: Referenz 3)

Aufgrund der guten Flexibilität von Kohlefaser haben die Forscher das Kohlefasergerät in verschiedene Formen gebracht. Es kann nicht nur in einem Smartarmband untergebracht werden, sondern auch in Form einer Scheibe in einem GPS für Haustiere, was für mehr Komfort und Anpassungsfähigkeit sorgt.

Kabelloses Laden wird in Zukunft auf einer größeren Bühne glänzen

Die Anwendung der drahtlosen Ladetechnologie für Smartarmbänder, Mobiltelefone usw. ist bereits weit verbreitet. Können mit neuer Energie betriebene Fahrzeuge, die ebenfalls Strom zum Fahren benötigen, auch die kabellose Ladetechnologie nutzen?

Die Antwort ist ja.

Im Vergleich zur Plug-in-Lademethode kann das kabellose Laden das Problem unzureichender Ladestationen erheblich lindern. Zum Aufladen müssen Autobesitzer ihr Auto lediglich an einem festen Standort parken, was den Komfort erheblich erhöht. Mit der Weiterentwicklung der Technologie könnte es in Zukunft möglich sein, Straßen so umzugestalten, dass ein dynamisches Laden von Fahrzeugen mit alternativer Energie möglich ist. Stellen Sie sich vor, Sie fahren mit einem Elektrofahrzeug auf einer bestimmten Straße und können es während der Fahrt aufladen. Das löst nicht nur die Reichweitenangst, sondern bietet Ihnen auch ein cooles Erlebnis.

Konzeptdiagramm zum dynamischen kabellosen Laden von Autos

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Derzeit prüfen viele Automobilhersteller die Möglichkeit, mit neuer Energie betriebene Fahrzeuge durch kabelloses Laden mit Strom zu versorgen. Allerdings müssen Probleme wie der Energieverlust elektromagnetischer Wellen und die durch das Luftmedium verursachte kurze Übertragungsdistanz noch gelöst werden, und bis zur großflächigen Anwendung ist es noch ein weiter Weg.

Die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie geschieht oft nicht über Nacht. Die unermüdlichen Bemühungen der Wissenschaftler lassen die wunderschönen Szenen, die wir uns vorstellen, Wirklichkeit werden. Wir haben Grund zu der Annahme, dass der technologische Fortschritt einen qualitativen Sprung in unserem Leben bewirken wird. Freuen wir uns gemeinsam auf eine intelligentere Zukunft.

Quellen:

1. Ye Yuhao. Prinzipien und Anwendungen der drahtlosen Ladetechnologie[J]. Wissenschaftliche und technologische Innovation und Produktivität, 2023.

2. Chen Yao. Aktueller Stand der Entwicklung und Standardisierung der drahtlosen Energieübertragungstechnologie[J]. Batterie, 2021.

3. C. Gao, J. Liu, Y. Han, R. Chen, J. Huang, Y. Gu, Y. Zhao, L. Qu, Ein energieregulierbarer, verformbarer und packbarer kabelloser Ladefaser-Superkondensator[J]. Erw. Mater., 2024.

4.LL Zhang, XS Zhao, Kohlenstoffbasierte Materialien als Superkondensatorelektroden[J]. Rezensionen der Chemical Society, 2009.

5.LL Zhang, R. Zhou, XS Zhao, Graphenbasierte Materialien als Superkondensatorelektroden[J]. Zeitschrift für Materialchemie, 2010.

6. Sonne Kunya. Systematische Forschung zur kabellosen Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge[J], 2024.