Ενίσχυση φορητής τεχνολογίας με «μπάλωμα» υπερπυκνωτών MXene Textile

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

30 Ιαν 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Drexel βρίσκονται ένα βήμα πιο κοντά στο να κάνουν πραγματικότητα την τεχνολογία φορητών υφασμάτων. Πρόσφατα δημοσιεύτηκε στη Royal Society of Chemistry's Journal of Material's Chemistry Α («Φοριέται αποθήκευση ενέργειας με υφασμάτινους υπερπυκνωτές MXene για χρήση σε πραγματικό κόσμο»), επιστήμονες υλικών από το Κολέγιο Μηχανικών του Drexel, σε συνεργασία με μια ομάδα της Accenture Labs, ανέφεραν ένα νέο σχέδιο ενός ευέλικτου φορητού επιθέματος υπερπυκνωτών. Χρησιμοποιεί MXene, ένα υλικό που ανακαλύφθηκε στο Πανεπιστήμιο Drexel το 2011, για να δημιουργήσει έναν υπερπυκνωτή με βάση το ύφασμα που μπορεί να φορτίσει σε λίγα λεπτά και να τροφοδοτήσει έναν αισθητήρα θερμοκρασίας μικροελεγκτή Arduino και ραδιοεπικοινωνία δεδομένων για σχεδόν δύο ώρες. «Αυτή είναι μια σημαντική εξέλιξη για την τεχνολογία wearable», δήλωσε ο Yury Gogotsi, PhD, Διακεκριμένο Πανεπιστήμιο και καθηγητής Bach στο Κολέγιο Μηχανικών του Drexel, ο οποίος συνέγραψε τη μελέτη. «Για να ενσωματώσουμε πλήρως την τεχνολογία στο ύφασμα, πρέπει επίσης να είμαστε σε θέση να ενσωματώσουμε απρόσκοπτα την πηγή ενέργειας του — η εφεύρεσή μας δείχνει την πορεία προς τα εμπρός για τις συσκευές αποθήκευσης ενέργειας από κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα». κείμενο

Ένα εύκαμπτο υφασμάτινο επίθεμα υπερπυκνωτών, που δημιουργήθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Drexel, μπορεί να τροφοδοτήσει έναν μικροελεγκτή και να μεταδώσει ασύρματα δεδομένα θερμοκρασίας για σχεδόν δύο ώρες χωρίς επαναφόρτιση. (Εικόνα: Πανεπιστήμιο Drexel) Συν-συγγραφέας μαζί με τους προπτυχιακούς και μεταδιδακτορικούς φοιτητές του Gogotsi. Η Genevieve Dion, καθηγήτρια και διευθύντρια του Κέντρου για Λειτουργικά Υφάσματα και ερευνητές από την Accenture Labs στην Καλιφόρνια, η μελέτη βασίζεται σε προηγούμενες έρευνες που εξέτασαν την ανθεκτικότητα, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των λειτουργικών υφασμάτων MXene που δεν ώθησαν στη βελτιστοποίηση του υφάσματος για την τροφοδοσία ηλεκτρονικών συσκευών πέρα από παθητικές συσκευές όπως φώτα LED. Η πιο πρόσφατη εργασία δείχνει ότι όχι μόνο μπορεί να αντέξει την ακαμψία του να είναι κλωστοϋφαντουργικό προϊόν, αλλά μπορεί επίσης να αποθηκεύσει και να παρέχει αρκετή ισχύ για να λειτουργήσει προγραμματιζόμενα ηλεκτρονικά που συλλέγουν και μεταδίδουν περιβαλλοντικά δεδομένα για ώρες – πρόοδος που θα μπορούσε να το τοποθετήσει για χρήση στην τεχνολογία υγειονομικής περίθαλψης. «Ενώ υπάρχουν πολλά υλικά εκεί έξω που μπορούν να ενσωματωθούν σε κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, το MXene έχει ένα σαφές πλεονέκτημα έναντι άλλων υλικών λόγω της φυσικής αγωγιμότητας και της ικανότητάς του να διασκορπίζεται στο νερό ως σταθερό κολλοειδές διάλυμα. Αυτό σημαίνει ότι τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα μπορούν εύκολα να επικαλυφθούν με MXene χωρίς τη χρήση χημικών πρόσθετων - και πρόσθετων βημάτων παραγωγής - για να προσκολληθεί το MXene στο ύφασμα», δήλωσε η Tetiana Hryhorchuk, διδακτορική ερευνήτρια στο Κολλέγιο και συν-συγγραφέας. «Ως αποτέλεσμα, ο υπερπυκνωτής μας έδειξε υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και επέτρεψε λειτουργικές εφαρμογές, όπως η τροφοδοσία προγραμματιζόμενων ηλεκτρονικών, τα οποία χρειάζονται για την εφαρμογή αποθήκευσης ενέργειας με βάση τα υφάσματα στις πραγματικές εφαρμογές». Οι ερευνητές της Drexel έχουν διερευνήσει τη δυνατότητα προσαρμογής του MXene, ενός αγώγιμου δισδιάστατου νανοϋλικού, ως επίστρωσης που μπορεί να διαποτίσει ένα ευρύ φάσμα υλικών με εξαιρετικές ιδιότητες αγωγιμότητας, ανθεκτικότητας, αδιαπέραστης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και αποθήκευσης ενέργειας. Πρόσφατα, η ομάδα εξέτασε τρόπους χρήσης αγώγιμου νήματος MXene για τη δημιουργία υφασμάτων που αισθάνονται και ανταποκρίνονται στη θερμοκρασία, την κίνηση και την πίεση. Αλλά για να ενσωματώσουν πλήρως αυτές τις υφασμάτινες συσκευές ως «φορετές», οι ερευνητές χρειάστηκε επίσης να βρουν έναν τρόπο να πλέξουν μια πηγή ενέργειας στο μείγμα. «Εύκαμπτες, ελαστικές και πραγματικά κλωστοϋφαντουργικές πλατφόρμες αποθήκευσης ενέργειας έχουν μέχρι στιγμής λείπει από τα περισσότερα συστήματα ηλεκτρονικών κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων λόγω των ανεπαρκών μετρήσεων απόδοσης των τρεχόντων διαθέσιμων υλικών και τεχνολογιών», έγραψε η ερευνητική ομάδα. «Προηγούμενες μελέτες ανέφεραν επαρκή μηχανική αντοχή για να αντέχουν στο βιομηχανικό πλέξιμο. Ωστόσο, η εφαρμογή που παρουσιάστηκε περιελάμβανε μόνο απλές συσκευές." Η ομάδα ξεκίνησε να σχεδιάσει το επίθεμα υπερπυκνωτών υφασμάτων MXene με στόχο τη μεγιστοποίηση της χωρητικότητας αποθήκευσης ενέργειας ενώ χρησιμοποιεί ελάχιστη ποσότητα ενεργού υλικού και καταλαμβάνει τον μικρότερο χώρο — για να μειώσει το συνολικό κόστος παραγωγής και να διατηρήσει την ευελιξία και τη δυνατότητα χρήσης του ένδυμα. Για να δημιουργήσει τον υπερπυκνωτή, η ομάδα απλώς βούτηξε μικρά δείγματα υφαντού βαμβακερού υφάσματος σε ένα διάλυμα MXene και στη συνέχεια στρώθηκε σε ένα πήκτωμα ηλεκτρολύτη χλωριούχου λιθίου. Κάθε στοιχείο υπερπυκνωτή αποτελείται από δύο στρώματα υφάσματος με επικάλυψη MXene με διαχωριστή ηλεκτρολυτών επίσης κατασκευασμένο από βαμβακερό ύφασμα.

[Ενσωματωμένο περιεχόμενο]

«Καταλήξαμε στη βελτιστοποιημένη διαμόρφωση μιας στοίβας πέντε κυψελών με επίστρωση εμβάπτισης με εμβαδόν 25 τετραγωνικών εκατοστών για την παραγωγή της ηλεκτρικής φόρτισης που απαιτείται για την τροφοδοσία προγραμματιζόμενων συσκευών», δήλωσε ο Alex Inman, διδακτορικός ερευνητής στο College of Engineering, και συν-συγγραφέας της εργασίας. «Σφραγίσαμε επίσης τις κυψέλες με ηλεκτρική σκούπα για να αποτρέψουμε την υποβάθμιση της απόδοσης. Αυτή η προσέγγιση συσκευασίας θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε εμπορικά προϊόντα.» Ο υφασμάτινος υπερπυκνωτής με τις καλύτερες επιδόσεις τροφοδοτούσε έναν μικροελεγκτή Arduino Pro Mini 3.3V που ήταν σε θέση να μεταδίδει ασύρματα τη θερμοκρασία κάθε 30 δευτερόλεπτα για 96 λεπτά. Και διατήρησε αυτό το επίπεδο απόδοσης με συνέπεια για περισσότερες από 20 ημέρες. «Η αρχική αναφορά ενός υφασμάτινου υπερπυκνωτή MXene που τροφοδοτεί ένα πρακτικό περιφερειακό ηλεκτρονικό σύστημα καταδεικνύει τη δυνατότητα αυτής της οικογένειας δισδιάστατων υλικών να υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα συσκευών όπως ιχνηλάτες κίνησης και βιοϊατρικές οθόνες σε ευέλικτη υφασμάτινη μορφή», είπε ο Γκογκότσι. Η ερευνητική ομάδα σημειώνει ότι αυτή είναι μία από τις υψηλότερες συνολικές εξόδους ισχύος που έχουν καταγραφεί για μια υφαντική ενεργειακή συσκευή, αλλά μπορεί ακόμα να βελτιωθεί. Καθώς συνεχίζουν να αναπτύσσουν την τεχνολογία, θα δοκιμάσουν διαφορετικούς ηλεκτρολύτες και διαμορφώσεις ηλεκτροδίων κλωστοϋφαντουργίας για να ενισχύσουν την τάση, καθώς και θα το σχεδιάσουν σε μια ποικιλία φορητών μορφών. «Η ισχύς για τις υπάρχουσες συσκευές ηλεκτρονικών κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων εξακολουθεί να βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε παράγοντες παραδοσιακής μορφής όπως οι μπαταρίες λιθίου-πολυμερούς και οι μπαταρίες λιθίου κυψελών νομίσματος», έγραψαν οι ερευνητές. «Ως εκ τούτου, τα περισσότερα συστήματα ηλεκτρονικών κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων δεν χρησιμοποιούν μια ευέλικτη αρχιτεκτονική ηλεκτρονικών κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων που περιλαμβάνει ευέλικτη αποθήκευση ενέργειας. Ο υπερπυκνωτής MXene που αναπτύχθηκε σε αυτή τη μελέτη γεμίζει το κενό, παρέχοντας μια λύση αποθήκευσης ενέργειας βασισμένη σε υφάσματα που μπορεί να τροφοδοτήσει εύκαμπτα ηλεκτρονικά.