Potenziamento della tecnologia indossabile con la "patch" del supercondensatore tessile MXene

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30 gennaio 2023 (Notizie Nanowerk) I ricercatori della Drexel University sono un passo avanti verso la realizzazione della tecnologia tessile indossabile. Recentemente pubblicato nella Royal Society of Chemistry's Rivista di Chimica dei Materiali A ("Immagazzinamento di energia indossabile con supercondensatori tessili MXene per l'uso nel mondo reale"), gli scienziati dei materiali del College of Engineering di Drexel, in collaborazione con un team di Accenture Labs, hanno segnalato un nuovo design di una patch supercondensatore indossabile flessibile. Utilizza MXene, un materiale scoperto alla Drexel University nel 2011, per creare un supercondensatore tessile in grado di caricarsi in pochi minuti e alimentare un sensore di temperatura del microcontrollore Arduino e la comunicazione radio dei dati per quasi due ore. "Questo è uno sviluppo significativo per la tecnologia indossabile", ha affermato Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e professore di Bach al Drexel's College of Engineering, coautore dello studio. "Per integrare completamente la tecnologia nel tessuto, dobbiamo anche essere in grado di integrare perfettamente la sua fonte di energia: la nostra invenzione mostra il percorso da seguire per i dispositivi di accumulo di energia tessile". testo

Un cerotto supercondensatore tessile flessibile, creato dai ricercatori della Drexel University, può alimentare un microcontrollore e trasmettere dati di temperatura in modalità wireless per quasi due ore senza ricarica. (Immagine: Drexel University) Coautore insieme agli studenti universitari e post-dottorato di Gogotsi; Genevieve Dion, professoressa e direttrice del Center for Functional Fabrics e ricercatrice degli Accenture Labs in California, lo studio si basa su ricerche precedenti che hanno esaminato la durabilità, la conduttività elettrica e la capacità di accumulo di energia dei tessuti funzionalizzati con MXene che non hanno spinto per ottimizzare il tessuto per alimentare l'elettronica oltre i dispositivi passivi come le luci a LED. L'ultimo lavoro mostra che non solo può resistere ai rigori dell'essere un tessuto, ma può anche immagazzinare e fornire energia sufficiente per far funzionare l'elettronica programmabile che raccoglie e trasmette dati ambientali per ore - progresso che potrebbe posizionarlo per l'uso nella tecnologia sanitaria. “Sebbene ci siano molti materiali là fuori che possono essere integrati nei tessuti, MXene ha un netto vantaggio rispetto ad altri materiali grazie alla sua conduttività naturale e alla capacità di disperdersi in acqua come soluzione colloidale stabile. Ciò significa che i tessuti possono essere facilmente rivestiti con MXene senza l'utilizzo di additivi chimici - e ulteriori passaggi di produzione - per far aderire l'MXene al tessuto ", ha affermato Tetiana Hryhorchuk, ricercatrice di dottorato presso il College e coautrice. "Di conseguenza, il nostro supercondensatore ha mostrato un'elevata densità di energia e ha consentito applicazioni funzionali come l'alimentazione dell'elettronica programmabile, necessaria per implementare l'accumulo di energia basato su tessuti nelle applicazioni della vita reale". I ricercatori di Drexel hanno esplorato la possibilità di adattare MXene, un nanomateriale bidimensionale conduttivo, come rivestimento in grado di conferire a un'ampia gamma di materiali proprietà eccezionali di conduttività, durata, impermeabilità alle radiazioni elettromagnetiche e accumulo di energia. Di recente, il team ha esaminato i modi per utilizzare il filato MXene conduttivo per creare tessuti che percepiscono e rispondono a temperatura, movimento e pressione. Ma per integrare completamente questi dispositivi in tessuto come "indossabili", i ricercatori dovevano anche trovare un modo per inserire una fonte di energia nel mix. "Le piattaforme di accumulo di energia flessibili, estensibili e veramente di livello tessile sono rimaste finora mancanti dalla maggior parte dei sistemi e-textile a causa delle metriche delle prestazioni insufficienti dei materiali e delle tecnologie attualmente disponibili", ha scritto il team di ricerca. “Studi precedenti hanno riportato una resistenza meccanica sufficiente per resistere alla lavorazione a maglia industriale. Tuttavia, l'applicazione dimostrata includeva solo dispositivi semplici. Il team ha deciso di progettare la sua toppa supercondensatore tessile MXene con l'obiettivo di massimizzare la capacità di accumulo di energia utilizzando una quantità minima di materiale attivo e occupando il minor spazio possibile, per ridurre il costo complessivo di produzione e preservare la flessibilità e la vestibilità del indumento. Per creare il supercondensatore, il team ha semplicemente immerso piccoli campioni di tessuto di cotone intrecciato in una soluzione di MXene, quindi stratificato su un gel elettrolitico di cloruro di litio. Ogni cella del supercondensatore è costituita da due strati di tessuto rivestito di MXene con un separatore di elettroliti anch'esso realizzato in tessuto di cotone.

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"Siamo giunti alla configurazione ottimizzata di uno stack a cinque celle con rivestimento a immersione con un'area di 25 centimetri quadrati per produrre il carico elettrico necessario per alimentare i dispositivi programmabili", ha affermato Alex Inman, ricercatore di dottorato presso il College of Engineering, e coautore del saggio. “Abbiamo anche sigillato sottovuoto le celle per evitare il degrado delle prestazioni. Questo approccio al packaging potrebbe essere applicabile ai prodotti commerciali”. Il supercondensatore tessile con le migliori prestazioni ha alimentato un microcontrollore Arduino Pro Mini da 3.3 V in grado di trasmettere in modalità wireless la temperatura ogni 30 secondi per 96 minuti. E ha mantenuto costantemente questo livello di prestazioni per più di 20 giorni. "Il rapporto iniziale di un supercondensatore tessile MXene che alimenta un pratico sistema elettronico periferico dimostra il potenziale di questa famiglia di materiali bidimensionali per supportare un'ampia gamma di dispositivi come rilevatori di movimento e monitor biomedici in una forma tessile flessibile", ha affermato Gogotsi. Il team di ricerca osserva che questa è una delle uscite di potenza totale più elevate mai registrate per un dispositivo energetico tessile, ma può ancora migliorare. Mentre continuano a sviluppare la tecnologia, testeranno diversi elettroliti e configurazioni di elettrodi tessili per aumentare la tensione, oltre a progettarla in una varietà di forme indossabili. "L'alimentazione per i dispositivi e-textile esistenti si basa ancora in gran parte su fattori di forma tradizionali come le batterie ai polimeri di litio e al litio a bottone", hanno scritto i ricercatori. “Pertanto, la maggior parte dei sistemi e-textile non utilizza un'architettura e-textile flessibile che includa un accumulo di energia flessibile. Il supercondensatore MXene sviluppato in questo studio riempie il vuoto, fornendo una soluzione di accumulo di energia basata su tessuti in grado di alimentare l'elettronica flessibile.