ขับเคลื่อนเทคโนโลยีสวมใส่ด้วย 'patch' supercapacitor สิ่งทอ MXene

"นี่เป็นการพัฒนาที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีที่สวมใส่ได้" Yury Gogotsi, PhD, Distiminated University และศาสตราจารย์ Bach จาก Drexel's College of Engineering ผู้ร่วมวิจัยกล่าว เราต้องสามารถรวมแหล่งพลังงานได้อย่างราบรื่น สิ่งประดิษฐ์ของเราแสดงให้เห็นเส้นทางไปข้างหน้าสำหรับอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานสิ่งทอ" เขียนร่วมกับนักศึกษาระดับปริญญาตรีและหลังปริญญาเอกของ Gogotsi; Genevieve Dion ศาสตราจารย์และผู้อำนวยการ Center for Functional Fabrics และนักวิจัยจาก Accenture Labs ในแคลิฟอร์เนีย การศึกษานี้สร้างขึ้นจากงานวิจัยก่อนหน้านี้ที่พิจารณาถึงความทนทาน การนำไฟฟ้า และความสามารถในการกักเก็บพลังงานของสิ่งทอที่ทำหน้าที่ MXene ซึ่งไม่ได้ผลักดันให้สิ่งทอปรับให้เหมาะสมที่สุด สำหรับการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นอกเหนือจากอุปกรณ์แบบพาสซีฟ เช่น ไฟ LED ผลงานล่าสุดแสดงให้เห็นว่าไม่เพียงแต่สามารถทนทานต่อการเป็นสิ่งทอเท่านั้น แต่ยังสามารถเก็บและจ่ายพลังงานได้มากพอที่จะเรียกใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ตั้งโปรแกรมได้ รวบรวมและส่งข้อมูลด้านสิ่งแวดล้อมเป็นเวลาหลายชั่วโมง ความคืบหน้าที่สามารถวางตำแหน่งนี้เพื่อใช้ในเทคโนโลยีการดูแลสุขภาพ . "ในขณะที่มีวัสดุมากมายที่สามารถรวมเข้ากับสิ่งทอได้ MXene มีข้อได้เปรียบที่แตกต่างจากวัสดุอื่นๆ เนื่องจากการนำไฟฟ้าตามธรรมชาติและความสามารถในการกระจายตัวในน้ำเป็นสารละลายคอลลอยด์ที่เสถียร ซึ่งหมายความว่าสิ่งทอสามารถเคลือบด้วย MXene ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ต้องใช้ การใช้สารเคมี - และขั้นตอนการผลิตเพิ่มเติม - เพื่อให้ MXene ยึดติดกับเนื้อผ้า" Tetiana Hryhorchuk นักวิจัยระดับปริญญาเอกในวิทยาลัยและผู้เขียนร่วมกล่าว "ผลที่ได้คือ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ของเรามีความหนาแน่นของพลังงานสูงและเปิดใช้งานแอปพลิเคชันที่ใช้งานได้ เช่น การจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับการนำการจัดเก็บพลังงานจากสิ่งทอไปใช้กับแอปพลิเคชันในชีวิตจริง" นักวิจัยของ Drexel ได้สำรวจความเป็นไปได้ในการปรับใช้ MXene ซึ่งเป็นวัสดุนาโนที่นำไฟฟ้าได้ 2 มิติ เป็นสารเคลือบที่สามารถเคลือบวัสดุได้หลากหลายประเภทด้วยคุณสมบัติพิเศษในด้านการนำไฟฟ้า ความทนทาน รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านไม่ได้ และการกักเก็บพลังงาน เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมงานได้มองหาวิธีการใช้เส้นด้าย MXene ที่นำไฟฟ้าได้เพื่อสร้างสิ่งทอที่สัมผัสและตอบสนองต่ออุณหภูมิ การเคลื่อนไหว และแรงกด แต่เพื่อรวมอุปกรณ์ผ้าเหล่านี้ให้เป็น "อุปกรณ์สวมใส่" ได้อย่างสมบูรณ์ นักวิจัยยังต้องหาวิธีที่จะรวมแหล่งพลังงานเข้ากับส่วนผสม ทีมวิจัยเขียนไว้ว่า "แท่นเก็บพลังงานที่ยืดหยุ่น ยืดได้ และเกรดสิ่งทออย่างแท้จริงยังคงขาดหายไปจากระบบสิ่งทออิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ เนื่องจากตัวชี้วัดประสิทธิภาพไม่เพียงพอของวัสดุและเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน" ทีมวิจัยเขียน "การศึกษาก่อนหน้านี้รายงานว่ามีความแข็งแรงเชิงกลเพียงพอที่จะทนต่อการถักแบบอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม การใช้งานที่สาธิตมีเฉพาะอุปกรณ์ธรรมดาเท่านั้น" ทีมงานได้เริ่มออกแบบแพตช์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สิ่งทอ MXene โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มความจุในการเก็บพลังงานสูงสุดในขณะที่ใช้วัสดุที่ใช้งานน้อยที่สุดและใช้พื้นที่น้อยที่สุด เพื่อลดต้นทุนการผลิตโดยรวมและรักษาความยืดหยุ่นและความสามารถในการสวมใส่ของ เสื้อผ้า ในการสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ทีมงานเพียงจุ่มตัวอย่างผ้าฝ้ายทอผืนเล็กๆ ลงในสารละลาย MXene จากนั้นจึงวางชั้นบนเจลอิเล็กโทรไลต์ลิเธียมคลอไรด์ เซลล์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แต่ละเซลล์ประกอบด้วยสิ่งทอเคลือบ MXene สองชั้นพร้อมตัวแยกอิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากผ้าฝ้ายเช่นกัน ในการสร้างแพตช์ที่มีกำลังไฟเพียงพอสำหรับเรียกใช้อุปกรณ์ที่มีประโยชน์ เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ตั้งโปรแกรมได้ของ Arduino เทคโนโลยี ในกรณีนี้ ทีมงานต้องใช้เซลล์ห้าเซลล์ซ้อนกันเพื่อสร้างชุดพลังงานที่สามารถชาร์จได้ถึง 6 โวลต์ ซึ่งเป็นปริมาณเดียวกับแบตเตอรี่สี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ที่มักใช้ เพื่อจ่ายไฟให้กับรถกอล์ฟ ตะเกียงไฟฟ้า หรือสำหรับรถสตาร์ทแบบกระโดด Alex Inman นักวิจัยระดับปริญญาเอกของวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์กล่าวว่า "เรามาถึงการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดของสแต็กห้าเซลล์แบบจุ่มเคลือบที่มีพื้นที่ 25 ตารางเซนติเมตรเพื่อผลิตโหลดไฟฟ้าที่จำเป็นต่ออุปกรณ์ที่ตั้งโปรแกรมพลังงานได้" ผู้เขียนร่วมของกระดาษ "เรายังปิดผนึกเซลล์ด้วยสุญญากาศเพื่อป้องกันการเสื่อมประสิทธิภาพ วิธีการบรรจุภัณฑ์นี้อาจใช้ได้กับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์" ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สิ่งทอที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดขับเคลื่อนไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino Pro Mini 3.3V ที่สามารถส่งอุณหภูมิแบบไร้สายทุกๆ 30 วินาทีเป็นเวลา 96 นาที และรักษาระดับประสิทธิภาพนี้ไว้ได้อย่างต่อเนื่องนานกว่า 20 วัน Gogotsi กล่าวว่า "รายงานเบื้องต้นของตัวเก็บประจุซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สิ่งทอ MXene ที่จ่ายพลังงานให้กับระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่อพ่วงที่ใช้งานได้จริง แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของวัสดุสองมิติตระกูลนี้ในการรองรับอุปกรณ์ที่หลากหลาย เช่น เครื่องติดตามการเคลื่อนไหวและจอภาพชีวการแพทย์ในรูปแบบสิ่งทอที่ยืดหยุ่น" Gogotsi กล่าว ทีมวิจัยตั้งข้อสังเกตว่านี่เป็นหนึ่งในเอาต์พุตพลังงานรวมสูงสุดเท่าที่เคยมีมาสำหรับอุปกรณ์พลังงานสิ่งทอ แต่ก็ยังสามารถปรับปรุงได้ ในขณะที่พวกเขาพัฒนาเทคโนโลยีต่อไป พวกเขาจะทดสอบอิเล็กโทรไลต์และการกำหนดค่าอิเล็กโทรดสิ่งทอต่างๆ เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า เช่นเดียวกับการออกแบบอิเล็กโทรไลต์ในรูปแบบต่างๆ ที่สวมใส่ได้ "พลังงานสำหรับอุปกรณ์สิ่งทออิเล็กทรอนิกส์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่ยังคงพึ่งพาฟอร์มแฟกเตอร์แบบดั้งเดิม เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์และแบตเตอรี่ลิเธียมเซลล์แบบเหรียญ" นักวิจัยกล่าว "ด้วยเหตุนี้ ระบบสิ่งทออิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่จึงไม่ใช้สถาปัตยกรรมสิ่งทออิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นที่มีการจัดเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่น ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ MXene ที่พัฒนาขึ้นในการศึกษานี้เข้ามาเติมเต็มช่องว่าง โดยนำเสนอโซลูชันการจัดเก็บพลังงานแบบสิ่งทอที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นได้"