Zasilanie technologii ubieralnej za pomocą „łaty” tekstylnego superkondensatora MXene

30 sty 2023 (Wiadomości Nanowerk) Naukowcy z Uniwersytetu Drexel są o krok bliżej urzeczywistnienia technologii tekstyliów do noszenia. Niedawno opublikowane w Royal Society of Chemistry's Journal of Material's Chemistry A („Możliwe do noszenia magazynowanie energii z tekstylnymi superkondensatorami MXene do użytku w świecie rzeczywistym”), naukowcy zajmujący się materiałami z Drexel's College of Engineering, we współpracy z zespołem z Accenture Labs, zgłosili nowy projekt elastycznej, nadającej się do noszenia plastra superkondensatora. To używa MXene, materiał odkryty na Uniwersytecie Drexel w 2011 r., w celu stworzenia superkondensatora na bazie tekstyliów, który można naładować w kilka minut i zasilać czujnik temperatury mikrokontrolera Arduino oraz przesyłać dane drogą radiową przez prawie dwie godziny. „To znaczący postęp w dziedzinie technologii ubieralnych” — powiedział dr Yury Gogotsi z Distinguished University i profesor Bach w Drexel's College of Engineering, który jest współautorem badania. „Aby w pełni zintegrować technologię z tkaniną, musimy również być w stanie bezproblemowo zintegrować jej źródło zasilania — nasz wynalazek wskazuje drogę naprzód dla tekstylnych urządzeń do magazynowania energii”. Elastyczna tekstylna naszywka superkondensatora, stworzona przez naukowców z Drexel University, może zasilać mikrokontroler i bezprzewodowo przesyłać dane o temperaturze przez prawie dwie godziny bez ładowania. (Zdj.: Drexel University) Współautor wraz ze studentami studiów licencjackich i doktoranckich Gogotsiego; Genevieve Dion, profesor i dyrektor Center for Functional Fabrics oraz naukowcy z Accenture Labs w Kalifornii, badanie opiera się na wcześniejszych badaniach, które dotyczyły trwałości, przewodności elektrycznej i zdolności magazynowania energii tekstyliów funkcjonalizowanych MXene, które nie naciskały na optymalizację tekstyliów do zasilania elektroniki poza urządzeniami pasywnymi, takimi jak światła LED. Najnowsze prace pokazują, że nie tylko może wytrzymać rygory bycia tkaniną, ale może również przechowywać i dostarczać wystarczającą ilość energii, aby uruchomić programowalną elektronikę gromadzącą i przesyłającą dane środowiskowe przez wiele godzin – postęp, który może umieścić go w technologii opieki zdrowotnej. „Chociaż istnieje wiele materiałów, które można zintegrować z tekstyliami, MXene ma wyraźną przewagę nad innymi materiałami ze względu na swoją naturalną przewodność i zdolność do dyspergowania w wodzie jako stabilny roztwór koloidalny. Oznacza to, że tekstylia można łatwo pokryć MXene bez użycia dodatków chemicznych – i dodatkowych etapów produkcji – aby MXene przylegał do tkaniny” – powiedziała Tetiana Hryhorchuk, doktorantka z Kolegium i współautorka. „W rezultacie nasz superkondensator wykazał wysoką gęstość energii i umożliwił funkcjonalne zastosowania, takie jak zasilanie programowalnej elektroniki, która jest potrzebna do wdrożenia magazynowania energii opartego na tekstyliach do rzeczywistych zastosowań”. Badacze Drexel badają możliwość adaptacji MXene, przewodzącego dwuwymiarowego nanomateriału, jako powłoki, która może nasycać szeroką gamę materiałów wyjątkowymi właściwościami przewodności, trwałości, nieprzepuszczalności dla promieniowania elektromagnetycznego i magazynowania energii. Ostatnio zespół przyjrzał się sposobom wykorzystania przewodzącej przędzy MXene do tworzenia tekstyliów, które wyczuwają i reagują na temperaturę, ruch i nacisk. Jednak aby w pełni zintegrować te urządzenia tekstylne jako „urządzenia do noszenia”, naukowcy musieli również znaleźć sposób na wplecenie źródła zasilania w miks. „Elastyczne, rozciągliwe i prawdziwie tekstylne platformy do magazynowania energii jak dotąd nie były dostępne w większości systemów e-tekstylnych ze względu na niewystarczające wskaźniki wydajności obecnie dostępnych materiałów i technologii” – napisał zespół badawczy. „Wcześniejsze badania wskazywały na wystarczającą wytrzymałość mechaniczną, aby wytrzymać dzianie przemysłowe. Jednak zademonstrowana aplikacja obejmowała tylko proste urządzenia”. Zespół postanowił zaprojektować łatkę tekstylnego superkondensatora MXene w celu maksymalizacji zdolności magazynowania energii przy użyciu minimalnej ilości materiału aktywnego i zajmowaniu jak najmniejszej ilości miejsca — aby obniżyć całkowity koszt produkcji i zachować elastyczność i łatwość noszenia część garderoby. Aby stworzyć superkondensator, zespół po prostu zanurzył małe próbki tkaniny bawełnianej w roztworze MXene, a następnie nałożył warstwę żelu elektrolitycznego chlorku litu. Każde ogniwo superkondensatora składa się z dwóch warstw tkaniny pokrytej MXene z separatorem elektrolitu, również wykonanym z tkaniny bawełnianej.

[Osadzone treści]

„Doszliśmy do zoptymalizowanej konfiguracji powlekanego zanurzeniowo stosu pięciu ogniw o powierzchni 25 centymetrów kwadratowych, aby wytworzyć obciążenie elektryczne niezbędne do zasilania programowalnych urządzeń” – powiedział Alex Inman, doktorant w College of Engineering i współautor pracy. „Uszczelniliśmy również ogniwa próżniowo, aby zapobiec pogorszeniu wydajności. Takie podejście do pakowania może mieć zastosowanie do produktów komercyjnych”. Najlepiej działający superkondensator tekstylny zasilał mikrokontroler Arduino Pro Mini 3.3 V, który był w stanie bezprzewodowo przesyłać temperaturę co 30 sekund przez 96 minut. I utrzymywał ten poziom wydajności konsekwentnie przez ponad 20 dni. „Wstępny raport superkondensatora tekstylnego MXene zasilającego praktyczny system elektroniki peryferyjnej pokazuje potencjał tej rodziny dwuwymiarowych materiałów do obsługi szerokiej gamy urządzeń, takich jak urządzenia śledzące ruch i monitory biomedyczne w elastycznej tekstylnej formie” – powiedział Gogotsi. Zespół badawczy zauważa, że ​​jest to jedna z najwyższych całkowitej mocy wyjściowej w historii tekstylnego urządzenia energetycznego, ale wciąż może się poprawić. Kontynuując rozwój technologii, będą testować różne konfiguracje elektrolitów i elektrod tekstylnych w celu zwiększenia napięcia, a także projektować je w różnych formach do noszenia. „Zasilanie istniejących urządzeń e-tekstylnych nadal w dużej mierze opiera się na tradycyjnych obudowach, takich jak litowo-polimerowe i pastylkowe baterie litowe” – napisali naukowcy. „W związku z tym większość systemów e-tekstylnych nie wykorzystuje elastycznej architektury e-tekstylnej, która obejmuje elastyczne magazynowanie energii. Superkondensator MXene opracowany w ramach tego badania wypełnia lukę, zapewniając oparte na tekstyliach rozwiązanie do magazynowania energii, które może zasilać elastyczną elektronikę”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62271.php