Driver bærbar teknologi med MXene Textile Supercapacitor 'patch'

Publisert av Platon

Følgere: 0

30. januar 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskere ved Drexel University er et skritt nærmere å gjøre bærbar tekstilteknologi til en realitet. Nylig publisert i Royal Society of Chemistry's Journal of Material's Chemistry A ("Bærbar energilagring med MXene tekstil-superkondensatorer for bruk i den virkelige verden"), har materialforskere fra Drexel's College of Engineering, i samarbeid med et team ved Accenture Labs, rapportert om en ny design av en fleksibel bærbar superkondensatorlapp. Det bruker MXene, et materiale som ble oppdaget ved Drexel University i 2011, for å lage en tekstilbasert superkondensator som kan lades på minutter og drive en Arduino mikrokontroller temperatursensor og radiokommunikasjon av data i nesten to timer. "Dette er en betydelig utvikling for bærbar teknologi," sa Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University og Bach-professor ved Drexel's College of Engineering, som var medforfatter av studien. "For å integrere teknologi fullt ut i stoffet, må vi også være i stand til sømløst å integrere strømkilden - vår oppfinnelse viser veien videre for lagringsenheter for tekstilenergi." tekst

En fleksibel tekstil-superkondensatorlapp, laget av Drexel University-forskere, kan drive en mikrokontroller og trådløst overføre temperaturdata i nesten to timer uten opplading. (Bilde: Drexel University) Medforfatter sammen med Gogotsis bachelor- og postdoktorstudenter; Genevieve Dion, professor og direktør for Center for Functional Fabrics og forskere fra Accenture Labs i California, studien bygger på tidligere forskning som så på holdbarhet, elektrisk ledningsevne og energilagringskapasitet til MXene-funksjonaliserte tekstiler som ikke presset på for å optimalisere tekstilen for å drive elektronikk utover passive enheter som LED-lys. Det siste arbeidet viser at det ikke bare kan tåle påkjenningene ved å være et tekstil, men det kan også lagre og levere nok kraft til å kjøre programmerbar elektronikk som samler inn og overfører miljødata i timevis – fremskritt som kan posisjonere den for bruk i helseteknologi. "Selv om det er mange materialer der ute som kan integreres i tekstiler, har MXene en klar fordel fremfor andre materialer på grunn av dens naturlige ledningsevne og evne til å spre seg i vann som en stabil kolloidal løsning. Dette betyr at tekstiler enkelt kan belegges med MXene uten å bruke kjemiske tilsetningsstoffer – og ytterligere produksjonstrinn – for å få MXene til å feste seg til stoffet,” sa Tetiana Hryhorchuk, doktorgradsforsker ved høyskolen, og medforfatter. "Som et resultat viste superkondensatoren vår en høy energitetthet og muliggjorde funksjonelle applikasjoner som å drive programmerbar elektronikk, som er nødvendig for å implementere tekstilbasert energilagring i de virkelige applikasjonene." Drexel-forskere har undersøkt muligheten for å tilpasse MXene, et ledende todimensjonalt nanomateriale, som et belegg som kan gjennomsyre et bredt spekter av materialer med eksepsjonelle egenskaper for ledningsevne, holdbarhet, ugjennomtrengelighet for elektromagnetisk stråling og energilagring. Nylig har teamet sett på måter å bruke ledende MXene-garn for å lage tekstiler som føler og reagerer på temperatur, bevegelse og trykk. Men for å fullt ut integrere disse stoffenhetene som "wearables" trengte forskerne også å finne en måte å veve en strømkilde inn i blandingen. "Fleksible, strekkbare og virkelig tekstilkvalitets energilagringsplattformer har så langt vært borte fra de fleste e-tekstilsystemer på grunn av utilstrekkelige ytelsesmålinger for gjeldende tilgjengelige materialer og teknologier," skrev forskerteamet. "Tidligere studier rapporterte tilstrekkelig mekanisk styrke til å tåle industriell strikking. Imidlertid inkluderte den demonstrerte applikasjonen bare enkle enheter." Teamet satte seg fore å designe sin MXene tekstil-superkondensatorlapp med mål om å maksimere energilagringskapasiteten samtidig som de bruker en minimal mengde aktivt materiale og tar opp den minste mengde plass – for å redusere de totale produksjonskostnadene og bevare fleksibiliteten og slitestyrken til plagg. For å lage superkondensatoren dyppet teamet ganske enkelt små vevd bomullstekstil i en MXene-løsning og deretter lagt på en litiumkloridelektrolyttgel. Hver superkondensatorcelle består av to lag MXene-belagt tekstil med en elektrolyttseparator også laget av bomullstekstil.

[Innebygd innhold]

"Vi kom til den optimaliserte konfigurasjonen av en dip-belagt, fem-cellet stabel med et areal på 25 kvadratcentimeter for å produsere den elektriske belastningen som er nødvendig for å drive programmerbare enheter," sa Alex Inman, en doktorgradsforsker ved College of Engineering, og medforfatter av papiret. "Vi har også vakuumforseglet cellene for å forhindre forringelse av ytelsen. Denne emballasjetilnærmingen kan brukes på kommersielle produkter.» Den best ytende tekstil-superkondensatoren drev en Arduino Pro Mini 3.3V mikrokontroller som var i stand til trådløst å overføre temperatur hvert 30. sekund i 96 minutter. Og det opprettholdt dette ytelsesnivået konsekvent i mer enn 20 dager. "Den første rapporten om en MXene tekstil-superkondensator som driver et praktisk perifert elektronikksystem demonstrerer potensialet til denne familien av todimensjonale materialer for å støtte et bredt spekter av enheter som bevegelsesmålere og biomedisinske monitorer i en fleksibel tekstilform," sa Gogotsi. Forskerteamet bemerker at dette er en av de høyeste totale kraftutgangene som er registrert for en tekstilenergienhet, men den kan fortsatt forbedres. Mens de fortsetter å utvikle teknologien, vil de teste forskjellige elektrolytter og tekstilelektrodekonfigurasjoner for å øke spenningen, i tillegg til å designe den i en rekke bærbare former. "Kraften til eksisterende e-tekstilenheter er fortsatt i stor grad avhengig av tradisjonelle formfaktorer som litium-polymer og myntcelle-litiumbatterier," skrev forskerne. "Som sådan bruker de fleste e-tekstilsystemer ikke en fleksibel e-tekstilarkitektur som inkluderer fleksibel energilagring. MXene-superkondensatoren utviklet i denne studien fyller tomrommet, og gir en tekstilbasert energilagringsløsning som kan drive fleksibel elektronikk."