Нити, сохраняющие заряд, превращают ткань в суперконденсатор

Исследовательская группа объединила проводящие нити с полимерной пленкой и получила гибкую сетку электродов на тканевой основе, которая действует, как суперконденсатор.

Мы все носим одежду, поэтому использование тканей для сбора и накопления энергии, а также для получения биометрических данных имеет вполне понятное практическое применение. Исследовательская команда из Массачусетского университета разработала способ комбинирования проводящих нитей с полимерной пленкой с помощью специальной техники шитья, что позволило создать гибкую сеть электродов на тканевой основе. Полученный материал, который был назван распределенным микро-суперконденсатором (MSC), может хранить заряд и, таким образом, питать биодатчики и другую носимую электронику.

Команда, возглавляемая профессором химии Тришей Л. Эндрю (директором лаборатории носимой электроники UMass Wearable Electronics Lab), разработала процесс, который позволяет создавать пористые проводящие полимерные пленки на плотно скрученных нитях. После пропитки электролитом нити могут использоваться для накопления заряда. Как показали опытные испытания, удельная емкость таких нитей оказывается намного выше, чем у разработанных ранее материалов, использующих окрашенные или экструдированные волокна. В предложенной технологии нити покрывают проводящей полимерной пленкой с проводимостью р-типа, после чего вшивают в эластичную ткань.

Каждый электрод изготавливается из двух нитей из нержавеющей стали, покрытых p-легированным полимерным материалом PEDOT-Cl (3,4-этилендиокситиофен). Электроды укладываются в виде трехмерной структуры длиной 5 мм, шириной 0,6 мм и высотой 1,2 мм. Затем наносится гель-электролит, который обеспечивает изоляцию электродов друг от друга и предотвращает возможность их короткого замыкания (рис. 1). Прежде чем электролит полностью затвердеет, натяжение предварительно растянутой ткани ослабляется и гель стягивается. Это необходимо для защиты от возникновения микротрещин, появляющихся при складывании.

Рис. 1. Изготовление и электрохимические характеристики тканевого суперконденсатора MSC.

Схематическая последовательность изготовления устройства (а); и фотография MSC со сшитыми электродами (электролит не показан) (b). Вольт-амперные характеристики тканевых MSC с электролитом PVA/ H2SO4 (с) и ионным жидким электролитом EMIMBF4 (d). Сравнение удельной емкости тканевых MSC с различными типами электролита (e). Кривые заряда/ разряда тканевых MSC с гелевым электролитом PVA/ H2SO4 (f).

Для увеличения удельной емкости требуется максимальная плотность расположения электродов, поэтому шаг между электродами должен быть как можно меньше. Однако нити, к сожалению, не идеальны, что существенно усложняет задачу. Дело в том, что в нитях из нержавеющей стали появляются заусенцы, которые способны замыкать смежные электроды. Чтобы решить эту проблему, тканевую подложку предварительно растягивают перед нашивкой электродов, причем смежные электроды разделены двумя нитями тканевого основания.

В результате описанного выше цикла изготовления получается трехмерная матрица с выровненным и компактным расположением электродов. Размеры электродов определяются структурой тканевой основы (рис. 2). Полученный тканевый суперконденсатор имеет удельную емкость на единицу площади 80 мФ/ см². Плотность энергии на единицу площади составляет 11 мкВт·ч/ см² с полимерным гелевым электролитом и 34 мкВт·ч/ см² с ионным жидким электролитом, что достаточно для питания многих носимых биодатчиков.

Рис. 2. Примеры деформирования тканевого MSC (а); кривые заряда/ разряда, измеренные при изгибе, скручивании или сворачивании тканевого MSC.

Как видно кривые заряда/ разряда деформированного устройства мало отличаются от недеформированного состояния (b); стабильность тканевого MSC при высокой частоте циклов заряда-разряда 7 мА/ см² (с); сравнение тканевого MSC с другим современным гибким суперконденсаторными структурами (d).

Очевидно, что устойчивость к экстремальным механическим воздействиям крайне важна для тканевых систем хранения зарядов, которые подвержены постоянным движениям и деформациям. Как видно из представленных графиков, тканевые MSC обеспечивают высокую стойкость к деформациям и демонстрируют минимальное изменение электрохимических характеристик даже после полного сворачивания.

Исследователи сообщают, что снижение емкости устройства не является необратимым. Емкость может восстанавливаться. Например, после первых 4000 циклов емкость падает до 71% от номинального значения, но после 12-часового периода релаксации восстанавливается до 93%. Еще через 4000 циклов емкость снова падает до 71% и снова восстанавливается до 93% после следующего 12-часового периода релаксации. Исследователи предполагают, что одной из возможных причин такого поведения является перераспределение несбалансированных зарядов в тканевом суперконденсаторе в течение периода релаксации.

Исследователи отмечают: «Интеграция электрохимически активных материалов с высокой электропроводностью и быстрым переносом ионов в текстильные изделия является сложной задачей. В нашей статье показано, что мы можем буквально вышивать суперконденсаторы на любом предмете одежды, используя нити со специальным покрытием, изготавливаемые в нашей лаборатории. Это открывает двери для простого создания электрических цепей на умной одежде с автономным питанием».

Подробный отчет об исследовании  “High Energy Density, Super-Deformable, Garment-Integrated Microsupercapacitors for Powering Wearable Electronics” был опубликован в журнале «Applied Materials Interfaces» Американского химического общества. 

Опубликовано: 31.05.2019