Draagbare technologie aandrijven met MXene textiel supercondensator ‘patch’

Onderzoekers van Drexel University zijn een stap dichter bij het realiseren van draagbare textieltechnologie. Onlangs verschenen in de Journal of materiaalchemie A, hebben materiaalwetenschappers van Drexel’s College of Engineering, in samenwerking met een team van Accenture Labs, een nieuw ontwerp gerapporteerd van een flexibele draagbare supercapacitor-patch. Het maakt gebruik van MXene, een materiaal dat in 2011 aan de Drexel University is ontdekt, om een ​​op textiel gebaseerde supercondensator te maken die in enkele minuten kan worden opgeladen en een Arduino-microcontroller-temperatuursensor en radiocommunicatie van gegevens gedurende bijna twee uur kan voeden.

“Dit is een belangrijke ontwikkeling voor draagbare technologie”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach-professor aan Drexel’s College of Engineering, die co-auteur was van het onderzoek. “Om technologie volledig in stof te integreren, moeten we ook de stroombron naadloos kunnen integreren – onze uitvinding toont de weg voorwaarts voor energieopslagapparaten van textiel.”

Co-auteur samen met Gogotsi’s niet-gegradueerde en postdoctorale studenten, Genevieve Dion, professor en directeur van het Center for Functional Fabrics, en onderzoekers van Accenture Labs in Californië, bouwt de studie voort op eerder onderzoek naar duurzaamheid, elektrische geleidbaarheid en energieopslagcapaciteit van MXene-gefunctionaliseerd textiel dat niet pushte om het textiel te optimaliseren voor het aandrijven van elektronica buiten passieve apparaten zoals LED-lampen. Het nieuwste werk laat zien dat het niet alleen bestand is tegen de ontberingen van textiel, maar dat het ook genoeg energie kan opslaan en leveren om programmeerbare elektronica te laten werken die urenlang omgevingsgegevens verzamelt en verzendt – een vooruitgang die het zou kunnen positioneren voor gebruik in de gezondheidszorgtechnologie.

“Hoewel er veel materialen zijn die in textiel kunnen worden geïntegreerd, heeft MXene een duidelijk voordeel ten opzichte van andere materialen vanwege de natuurlijke geleidbaarheid en het vermogen om in water te dispergeren als een stabiele colloïdale oplossing. Dit betekent dat textiel gemakkelijk kan worden gecoat met MXene zonder het gebruik van chemische additieven – en aanvullende productiestappen – om de MXene aan de stof te laten hechten”, zegt Tetiana Hryhorchuk, een doctoraal onderzoeker aan het Drexel’s College of Engineering en co-auteur. “Het resultaat was dat onze supercondensator een hoge energiedichtheid vertoonde en functionele toepassingen mogelijk maakte, zoals het voeden van programmeerbare elektronica, die nodig is voor het implementeren van op textiel gebaseerde energieopslag in de real-life toepassingen.”

Drexel-onderzoekers hebben de mogelijkheid onderzocht om MXene, een geleidend tweedimensionaal nanomateriaal, aan te passen als een coating die een breed scala aan materialen kan doordringen met uitzonderlijke eigenschappen van geleidbaarheid, duurzaamheid, ondoordringbaarheid voor elektromagnetische straling en energieopslag.

Onlangs heeft het team gekeken naar manieren om geleidend MXene-garen te gebruiken om textiel te maken dat temperatuur, beweging en druk voelt en daarop reageert. Maar om deze stoffen apparaten volledig te integreren als “wearables”, moesten de onderzoekers ook een manier vinden om een ​​stroombron in de mix te verweven.

“Flexibele, rekbare en echt textiele energieopslagplatforms zijn tot dusverre ontbreken in de meeste e-textielsystemen vanwege de onvoldoende prestatiestatistieken van de huidige beschikbare materialen en technologieën”, schreef het onderzoeksteam. “Eerdere studies meldden voldoende mechanische sterkte om industrieel breien te weerstaan. De gedemonstreerde toepassing omvatte echter alleen eenvoudige apparaten.”

Het team begon aan het ontwerpen van zijn MXene supercondensator-patch van textiel met als doel de energieopslagcapaciteit te maximaliseren terwijl een minimale hoeveelheid actief materiaal wordt gebruikt en de kleinste hoeveelheid ruimte wordt ingenomen – om de totale productiekosten te verlagen en de flexibiliteit en draagbaarheid van de patch te behouden. kledingstuk.

Om de supercondensator te maken, doopte het team eenvoudig kleine stukjes geweven katoentextiel in een MXene-oplossing en vervolgens in lagen op een lithiumchloride-elektrolytgel. Elke supercondensatorcel bestaat uit twee lagen met MXene gecoat textiel met een elektrolytafscheider, eveneens gemaakt van katoentextiel. Om een ​​patch te maken met voldoende vermogen om enkele nuttige apparaten te laten werken, in dit geval programmeerbare Arduino-microcontrollers, stapelde het team vijf cellen op elkaar om een ​​power pack te maken die kan worden opgeladen tot 6 volt, hetzelfde aantal als de grotere rechthoekige batterijen die vaak worden gebruikt om golfkarretjes, elektrische lantaarns of voor starthulpvoertuigen.

“We kwamen tot de geoptimaliseerde configuratie van een dip-coated, vijfcellige stapel met een oppervlakte van 25 vierkante centimeter om de elektrische belasting te produceren die nodig is om programmeerbare apparaten van stroom te voorzien”, zegt Alex Inman, een doctoraal onderzoeker aan het College of Engineering, en co-auteur van het artikel. “We hebben de cellen ook vacuüm afgesloten om verslechtering van de prestaties te voorkomen. Deze verpakkingsaanpak kan van toepassing zijn op commerciële producten.”

De best presterende supercondensator van textiel dreef een Arduino Pro Mini 3.3V-microcontroller aan die gedurende 96 minuten elke 30 seconden draadloos temperatuur kon verzenden. Het behield dit prestatieniveau consistent gedurende meer dan 20 dagen.

“Het eerste rapport van een MXene-supercondensator van textiel die een praktisch perifeer elektronisch systeem aandrijft, toont het potentieel aan van deze familie van tweedimensionale materialen om een ​​breed scala aan apparaten te ondersteunen, zoals motion-trackers en biomedische monitoren in een flexibele textielvorm, ” zei Gogotsi.

Het onderzoeksteam merkt op dat dit een van de hoogste totale vermogensoutput ooit is voor een textielenergieapparaat, maar het kan nog verbeteren. Terwijl ze de technologie blijven ontwikkelen, zullen ze verschillende configuraties van elektrolyten en textielelektroden testen om de spanning te verhogen, en deze ontwerpen in verschillende draagbare vormen.

“De stroom voor bestaande e-textielapparaten is nog steeds grotendeels afhankelijk van traditionele vormfactoren zoals lithium-polymeer- en knoopcel-lithiumbatterijen”, schreven de onderzoekers. “Als zodanig gebruiken de meeste e-textielsystemen geen flexibele e-textielarchitectuur die flexibele energieopslag omvat. De MXene-supercondensator die in deze studie is ontwikkeld, vult de leemte en biedt een op textiel gebaseerde energieopslagoplossing die flexibele elektronica kan aandrijven.”