MXene 섬유 슈퍼커패시터 '패치'로 웨어러블 기술 강화

플라톤에 의해 재발행

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30 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) Drexel University의 연구원들은 웨어러블 섬유 기술을 현실로 만드는 데 한 걸음 더 다가갔습니다. 왕립화학학회지 최근 게재 재료 화학 저널 A ("실제 사용을 위한 MXene 섬유 슈퍼커패시터를 사용한 웨어러블 에너지 저장 장치"), Drexel's College of Engineering의 재료 과학자들은 Accenture Labs의 팀과 협력하여 유연한 웨어러블 슈퍼커패시터 패치의 새로운 디자인을 보고했습니다. 그것은 사용 맥신2011년 드렉셀 대학에서 발견한 소재로, 몇 분 안에 충전할 수 있고 아두이노 마이크로컨트롤러 온도 센서와 거의 XNUMX시간 동안 무선 데이터 통신에 전력을 공급할 수 있는 섬유 기반 슈퍼커패시터를 만들 수 있습니다. “이것은 웨어러블 기술의 중요한 발전입니다. "기술을 직물에 완전히 통합하려면 전원을 원활하게 통합할 수 있어야 합니다. 우리의 발명품은 직물 에너지 저장 장치를 위한 경로를 보여줍니다."

Drexel University 연구원들이 만든 유연한 직물 슈퍼커패시터 패치는 재충전 없이 거의 XNUMX시간 동안 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하고 온도 데이터를 무선으로 전송할 수 있습니다. (이미지: Drexel University) Gogotsi의 학부 및 박사후 과정 학생들과 함께 공동 저술. 기능성 직물 센터의 교수이자 소장인 Genevieve Dion과 캘리포니아 Accenture Labs 연구원은 이 연구는 직물 최적화를 추진하지 않은 MXene 기능 섬유의 내구성, 전기 전도도 및 에너지 저장 용량을 살펴본 이전 연구를 기반으로 합니다. LED 조명과 같은 수동 장치를 넘어 전자 장치에 전력을 공급하기 위한 것입니다. 최신 연구는 섬유의 혹독함을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 몇 시간 동안 환경 데이터를 수집하고 전송하는 프로그래밍 가능한 전자 장치를 실행할 수 있는 충분한 전력을 저장하고 전달할 수 있음을 보여줍니다. “직물에 통합될 수 있는 많은 재료가 있지만 MXene은 자연적인 전도성과 안정적인 콜로이드 용액으로 물에 분산되는 능력 때문에 다른 재료보다 뚜렷한 이점이 있습니다. 이는 MXene이 직물에 부착되도록 하기 위해 화학 첨가제 및 추가 생산 단계를 사용하지 않고도 직물을 MXene으로 쉽게 코팅할 수 있음을 의미합니다. "그 결과 우리의 슈퍼커패시터는 높은 에너지 밀도를 보여주었고 섬유 기반 에너지 저장을 실생활 애플리케이션에 구현하는 데 필요한 프로그래밍 가능한 전자 장치에 전원을 공급하는 것과 같은 기능적 애플리케이션을 가능하게 했습니다." Drexel 연구원들은 전도성, 내구성, 전자파 불투과성 및 에너지 저장과 같은 탁월한 특성을 다양한 재료에 부여할 수 있는 코팅으로서 전도성 XNUMX차원 나노물질인 MXene을 적용할 가능성을 탐색해 왔습니다. 최근 팀은 전도성 MXene 원사를 사용하여 온도, 움직임 및 압력을 감지하고 반응하는 직물을 만드는 방법을 살펴보았습니다. 그러나 이러한 패브릭 장치를 "웨어러블"로 완전히 통합하기 위해 연구자들은 전원을 믹스에 짜는 방법도 찾아야 했습니다. 연구팀은 "유연하고 신축성이 있으며 진정한 섬유 등급 에너지 저장 플랫폼은 현재 사용 가능한 재료 및 기술의 성능 메트릭이 불충분하기 때문에 지금까지 대부분의 전자 섬유 시스템에서 누락된 상태로 남아 있습니다"라고 썼습니다. “이전 연구에서는 산업용 편물을 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 보고했습니다. 그러나 시연된 응용 프로그램에는 간단한 장치만 포함되었습니다.” 팀은 최소량의 활성 물질을 사용하고 최소한의 공간을 차지하면서 에너지 저장 용량을 최대화하는 것을 목표로 MXene 섬유 슈퍼커패시터 패치를 설계하기 시작했습니다. 외피. 슈퍼커패시터를 만들기 위해 팀은 면직물의 작은 견본을 MXene 용액에 담근 다음 염화 리튬 전해질 젤 위에 층을 이루었습니다. 각 슈퍼커패시터 셀은 역시 면직물로 만들어진 전해질 분리기가 있는 두 개의 MXene 코팅 직물 층으로 구성됩니다.

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"프로그래머블 장치에 전원을 공급하는 데 필요한 전기 부하를 생성하기 위해 25평방 센티미터의 면적을 가진 딥 코팅된 3.3셀 스택의 최적화된 구성에 도달했습니다."라고 공과 대학의 박사 연구원인 Alex Inman은 말했습니다. 논문의 공동저자. “또한 성능 저하를 방지하기 위해 셀을 진공 밀봉했습니다. 이 패키징 접근 방식은 상용 제품에 적용될 수 있습니다.” 최고 성능의 섬유 슈퍼커패시터는 30분 동안 96초마다 무선으로 온도를 전송할 수 있는 Arduino Pro Mini 20V 마이크로컨트롤러에 전원을 공급했습니다. 그리고 이 수준의 성능을 XNUMX일 이상 일관되게 유지했습니다. "실용적인 주변 전자 시스템에 전력을 공급하는 MXene 직물 슈퍼커패시터의 초기 보고서는 유연한 직물 형태의 모션 추적기 및 생체 의학 모니터와 같은 광범위한 장치를 지원하는 이 XNUMX차원 재료 제품군의 잠재력을 보여줍니다."라고 Gogotsi가 말했습니다. 연구팀은 이것이 섬유 에너지 장치에 대한 기록상 가장 높은 총 전력 출력 중 하나이지만 여전히 개선될 수 있다고 지적합니다. 기술을 계속 개발하면서 전압을 높이기 위해 다양한 전해질과 섬유 전극 구성을 테스트하고 다양한 웨어러블 형태로 설계할 것입니다. "기존 전자 섬유 장치의 전력은 여전히 리튬 폴리머 및 코인 셀 리튬 배터리와 같은 전통적인 폼 팩터에 크게 의존합니다."라고 연구원들은 썼습니다. "따라서 대부분의 e-텍스타일 시스템은 유연한 에너지 저장을 포함하는 유연한 e-텍스타일 아키텍처를 사용하지 않습니다. 이 연구에서 개발된 MXene 슈퍼커패시터는 유연한 전자 장치에 전원을 공급할 수 있는 섬유 기반 에너지 저장 솔루션을 제공하여 빈 공간을 채웁니다.”