Использование носимых технологий с помощью «патча» текстильного суперконденсатора MXene

Переиздано Платоном

Читают: 0

30 янв.2023 г. (Новости Наноуэрк) Исследователи из Университета Дрекселя на один шаг приблизились к тому, чтобы воплотить технологию носимого текстиля в реальность. Недавно опубликовано в Королевском химическом обществе. Журнал химии материалов A («Переносной накопитель энергии с текстильными суперконденсаторами MXene для реального использования»), материаловеды из Инженерного колледжа Дрекселя в сотрудничестве с командой Accenture Labs сообщили о новом дизайне гибкой носимой накладки на суперконденсатор. Оно использует MXene, материал, обнаруженный в Университете Дрекселя в 2011 году, для создания суперконденсатора на текстильной основе, который может заряжаться за считанные минуты и питать датчик температуры микроконтроллера Arduino и передавать данные по радио в течение почти двух часов. «Это важное достижение для носимых технологий», — сказал Юрий Гогоци, доктор наук, заслуженный университет и профессор Баха в Инженерном колледже Дрекселя, который является соавтором исследования. «Чтобы полностью интегрировать технологию в ткань, мы также должны иметь возможность беспрепятственно интегрировать ее источник питания — наше изобретение указывает путь вперед для текстильных устройств хранения энергии».

Гибкая текстильная накладка суперконденсатора, созданная исследователями из Университета Дрекселя, может питать микроконтроллер и передавать по беспроводной связи данные о температуре в течение почти двух часов без подзарядки. (Изображение: Университет Дрекселя) В соавторстве со студентами и докторантами Гогоци; Женевьев Дион, профессор и директор Центра функциональных тканей и исследователи из Accenture Labs в Калифорнии, исследование основано на предыдущих исследованиях, в которых изучалась долговечность, электропроводность и способность накапливать энергию тканей, функционализированных MXene, которые не подталкивали к оптимизации ткани. для питания электроники помимо пассивных устройств, таких как светодиодные фонари. Последняя работа показывает, что он не только может выдерживать суровые условия текстильного производства, но также может накапливать и отдавать достаточно энергии для запуска программируемой электроники, собирающей и передающей данные об окружающей среде в течение нескольких часов — прогресс, который может сделать его пригодным для использования в медицинских технологиях. «Хотя существует множество материалов, которые можно интегрировать в текстиль, MXene имеет явное преимущество перед другими материалами благодаря своей естественной проводимости и способности диспергироваться в воде в виде стабильного коллоидного раствора. Это означает, что текстиль можно легко покрыть MXene без использования химических добавок и дополнительных производственных этапов, чтобы заставить MXene прилипать к ткани», — сказала Татьяна Григорчук, докторант Колледжа и соавтор. «В результате наш суперконденсатор показал высокую плотность энергии и позволил использовать функциональные приложения, такие как питание программируемой электроники, которая необходима для внедрения накопления энергии на основе текстиля в реальные приложения». Исследователи Drexel изучают возможность адаптации MXene, проводящего двумерного наноматериала, в качестве покрытия, которое может наполнять широкий спектр материалов исключительными свойствами проводимости, долговечности, непроницаемости для электромагнитного излучения и накопления энергии. Недавно команда изучила способы использования проводящей пряжи MXene для создания тканей, которые реагируют на температуру, движение и давление. Но чтобы полностью интегрировать эти тканевые устройства в качестве «носимых», исследователям также нужно было найти способ добавить в смесь источник питания. «Гибкие, растяжимые и действительно текстильные платформы для хранения энергии до сих пор отсутствуют в большинстве систем электронного текстиля из-за недостаточных показателей производительности имеющихся материалов и технологий», — пишет исследовательская группа. «Предыдущие исследования показали достаточную механическую прочность, чтобы выдерживать промышленное вязание. Однако продемонстрированное приложение включало только простые устройства». Команда разработчиков решила разработать текстильную накладку суперконденсатора MXene с целью максимизировать емкость накопления энергии при использовании минимального количества активного материала и занимать наименьшее пространство — чтобы снизить общую стоимость производства и сохранить гибкость и удобство носки. одежда. Чтобы создать суперконденсатор, команда просто погрузила небольшие образцы тканого хлопчатобумажного текстиля в раствор MXene, а затем покрыла электролитным гелем из хлорида лития. Каждая ячейка суперконденсатора состоит из двух слоев ткани, покрытой MXene, с разделителем электролита, также изготовленным из хлопчатобумажной ткани.

[Встраиваемое содержимое]

«Мы пришли к оптимизированной конфигурации пятиячеечного блока площадью 25 квадратных сантиметров с покрытием для создания электрической нагрузки, необходимой для питания программируемых устройств», — сказал Алекс Инман, докторант Инженерного колледжа, и соавтор статьи. «Мы также загерметизировали элементы в вакууме, чтобы предотвратить снижение производительности. Этот подход к упаковке может быть применим к коммерческим продуктам». Самый эффективный текстильный суперконденсатор питал микроконтроллер Arduino Pro Mini 3.3 В, который мог передавать температуру по беспроводной сети каждые 30 секунд в течение 96 минут. И он стабильно поддерживал этот уровень производительности более 20 дней. «Первоначальный отчет о текстильном суперконденсаторе MXene, питающем практическую систему периферийной электроники, демонстрирует потенциал этого семейства двумерных материалов для поддержки широкого спектра устройств, таких как датчики движения и биомедицинские мониторы, в гибкой текстильной форме», — сказал Гогоци. Исследовательская группа отмечает, что это один из самых высоких показателей общей выходной мощности для текстильного энергетического устройства за всю историю, но его еще можно улучшить. По мере того, как они продолжают развивать технологию, они будут тестировать различные конфигурации электролитов и текстильных электродов для повышения напряжения, а также разрабатывать их в различных носимых формах. «Энергия существующих устройств электронного текстиля по-прежнему в значительной степени зависит от традиционных форм-факторов, таких как литий-полимерные и литиевые батареи типа «таблетка», — пишут исследователи. «Таким образом, большинство систем электронного текстиля не используют гибкую архитектуру электронного текстиля, которая включает гибкое хранение энергии. Суперконденсатор MXene, разработанный в этом исследовании, заполняет пустоту, обеспечивая решение для хранения энергии на текстильной основе, которое может питать гибкую электронику».