Tragbare "Batterien": textile Mikro-Superkondensatoren auf Basis von PEDOT-Cl



    Wo auch immer Sie hinschauen, auf die eine oder andere Weise werden Sie über einen Blick auf etwas stolpern, das Energie erfordert: von Mobiltelefonen bis hin zu viel wichtigeren tragbaren medizinischen Geräten. Dutzende, wenn nicht mehr, Forschungsgruppen auf der ganzen Welt suchen nach neuen Methoden zur Gewinnung und Speicherung von Energie. Jemand konzentriert sich auf Plastik, jemand auf Papier, und jemand schlägt sogar vor, Bakterien zu verwenden, die sich in einem „schlafenden Schönheitszustand“ befinden, bis Sie das Telefon aufladen müssen. Unsere heutigen Helden beschlossen, das Konzept „tragbarer Energieträger“ wortwörtlicher anzugehen. Was tragen wir fast immer? Natürlich Kleidung. Es ist möglich und nicht so schwierig, wie es scheint, eine Art "Batterie" in das Gerät einzuführen. Aber ist es nicht besser, Gewebe selbst zu einer Energiequelle zu machen? Stellen Sie sich diese Dialoge aus der Zukunft vor: „Sehr geehrte und wo ist die Gebühr von meinem T-Shirt? "oder" Ich rufe Sie zurück, sonst werden meine Jeans bald entladen. " Nun, okay, aus flachen Witzen kommen wir zum Kern der Forschung. Wie haben Wissenschaftler "energetische" Kleidung hergestellt, wie effektiv sind sie und wie sind die Perspektiven? Eingetaucht in den Bericht der Forscher, um Antworten zu finden. Lass uns gehen.

    Grundlage der Forschung

    Wissenschaftler stellen fest, dass für die Entwicklung vollwertiger, effizienter und praktischer kompakter, tragbarer Gesundheitsüberwachungsgeräte (oder anderer persönlicher Geräte) nicht standardmäßige Batterien ein äußerst wichtiges Element sind. Hervorragende Kandidaten für diese Position sind MSC (Micro-Superkondensatoren), die im Gegensatz zu klassischen Superkondensatoren * extrem klein sein können, was eine gute Nachricht ist.
    Superkondensator * ist ein elektrochemischer Ladungsakkumulator mit einem organischen / anorganischen Elektrolyten und einer doppelten elektrischen Schicht zwischen Elektrode und Elektrolyt.
    Das auffälligste Minus solcher Batterien ist natürlich der Preis, der ziemlich beissend ist. Wissenschaftler argumentieren jedoch, dass sie mit fortschreitender Technologie und durch den Einsatz sparsamerer Materialien und der Ausweitung der Massenproduktion abnehmen wird. Derzeit wird der MSC auf Papier- oder Kunststoffbasis viel Aufmerksamkeit gewidmet. Aber Textilien sind bei Forschern nicht so beliebt. Die Hauptschwierigkeit liegt in der Herstellung von elektrochemischen Faserelektroden, die zur Erstellung des MSC verwendet werden würden. Um jedoch zu stoppen, weil die Aufgabe schwierig ist, werden unsere heutigen Helden dies nicht tun.

    Forscher weisen auf zwei wichtige Indikatoren hin, die tragbare Superkondensatoren aufweisen sollten: hohe Energiedichte und mechanische Stabilität. Aber welches Material soll man verwenden? Es gibt viele Optionen: Graphen, konjugierte Polymere, MXene, Kohlenstoffnanoröhren usw. Die Einführung elektrochemisch aktiver Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in Textilien ist keine leichte Aufgabe. Hier haben sich Nickel und reduziertes Graphenoxid bewährt, die zur Herstellung von MSC-Textilien in zuvor aufbereitete Textilien eingebracht wurden. Diese Option hat jedoch noch keine ausreichende Energiedichte für den praktischen Einsatz.


    Chemische Struktur von PEDOT-Cl.

    In dieser Studie beschlossen die Wissenschaftler, noch mehr „exotisches“ Material einzusetzen - PEDOT-Cl. Ein anderer Name (für Liebhaber des Aufwärmens der Artikulation) ist Poly (3,4-ethylendioxythiophen) p-type * .
    Der p- Halbleiter * ist ein Halbleiter, dessen Hauptladungsträger Löcher sind. Es wird durch Dotieren der Halbleiter mit den Akzeptoren erhalten.
    Die Beschichtung aus PEDOT-Cl, die durch Vakuumabscheidung auf der Unterlage abgeschieden wurde, zeigt ein hohes Maß an elektrischer Leitfähigkeit auf Textilien und ausreichend widerstandsfähige elektrochemische Eigenschaften. So gelang es den Wissenschaftlern, einen textilen Mikro-Superkondensator mit hoher Energiedichte zu schaffen, der auf einem elastischen textilen Substrat und leitfähigen Fäden mit PEDOT-Cl-Zerstäubung basiert.

    Lassen Sie uns nun etwas tiefer auf der Suche nach den Details dieser einzigartigen Kreation graben.

    Vorbereitung der Materialbasis

    Zunächst mussten PEDOT-Cl-Filme vom p-Typ auf einer Edelstahlbasis aufgebracht werden. Das Monomer war 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT), und die Rolle des Oxidationsmittels spielte FeCl 3- Eisenchlorid (III). Nach dem Erwärmen des EDOT auf 90 ° C wurde das Monomer unter Verwendung eines Swagelok SS-4JB-Nadelventils, das eine Viertelumdrehung geöffnet war, in eine Argon enthaltende Kammer gegeben.


    Schematische Darstellung der Kamera.

    Der Druck in der Kammer betrug 300 ± 10 mTorr und die Temperatur 120 ° C. Diese Parameter wurden während des gesamten Verfahrens des Aufbringens des Films auf das Substrat beibehalten. Die Dicke des aufgebrachten Films und die Abscheidungsrate (2 mm / s) wurden durch die Verdampfungsrate des Oxidationsmittels FeCl & sub3; gesteuert, die mittels Quarzmikrowaagen innerhalb der Kammer gemessen wurde. Nachdem die gewünschte Filmdicke erhalten worden war, wurde der Auftragvorgang gestoppt, die Kammer blieb jedoch luftdicht, bis die Temperatur auf 60 ° C gefallen war. Zur Reinigung wurde der Film 15 Minuten in Methanol gelegt.


    Das Aussehen des Fadens vor und nach dem Auftragen von PEDOT-Cl.

    Um eine vollwertige Festkörper-MSC herzustellen, wurde ein Polymergelelektrolyt verwendet, der durch langsames Einführen von 1 g Polyvinylalkohol in 10 g H 2 SO 4 -Lösung hergestellt wurde . Als nächstes wurde das Gemisch auf 90 ° C erhitzt und 2 Stunden gerührt. Als nächstes wurde die Mischung auf die Elektroden aufgetragen und getrocknet.

    Die Ergebnisse der Untersuchung von


    SEM-Aufnahmen der Filamente vor und nach der Abscheidung von PEDOT-Cl und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (untere Reihe).

    In einem, sozusagen, Annäherung können ungefähr 9,7536 m (32 Fuß) Fäden gemacht werden. Nach Ansicht der Wissenschaftler besteht das Hauptproblem bei der Erreichung der erforderlichen hohen Energiedichte in einer schlechten Haftung (Adhäsion) des elektronischen Materials oder in der nicht optimierten Morphologie von Dickfilmen, was die Übertragung von Ionen extrem schwierig macht. Je dicker der Faden ist, desto besser, aber wenn Sie ihn übertreiben, wird er nur noch schlimmer.

    In dieser Studie half die Methode der Abscheidung - Vakuumabscheidung, dieses Problem zu lösen. Die Verwendung von Edelstahl als Basis war ebenfalls von Vorteil, da dieses Material aufgrund seiner Struktur (siehe Bilder oben) mehr Fläche für die Haftung mit der PEDOT-Cl-Folie hat.



    Die obigen Bilder zeigen die Ergebnisse von Cyclovoltammogrammen, die unter Verwendung einer Elektrolysezelle mit drei Elektroden in 0,5 M Na 2 SO 4 oder 0,5 MH 2 SO 4 erhalten wurden . Die Arbeitselektrode war eine PEDOT-Cl-Beschichtung mit einer Länge von 1 cm Hilfselektroden: Platin als Indikatorelektrode und Silberchlorid (Ag / AgCl) als Referenzelektrode.

    Durch Abtasten (5 mV / s) in Na 2 SO 4 wird eine elektrische Kapazität von 15 mF / cm (Millifarad pro cm) und in H 2 SO 4 erreicht- 12 mf / cm. Wissenschaftler betrachten die Auswirkungen des Scannens auf die Indikatoren als unbedeutend. Bei einer Abtastgeschwindigkeit von 100 mV / s fallen die Indikatoren in beiden Elektrolyten auf ein Niveau von 8,5 mF / cm.



    Hier sehen wir , selbst Textil MSC Verfahren zu schaffen (das Bild oben und). Ein sehr wichtiger Punkt ist, den Abstand zwischen den Elektrodenstiften zu minimieren (nennen wir sie so, weil sie in der Studie selbst als "Elektrodenfinger" bezeichnet werden). Dies ist für den Einsatz in kleinsten Geräten erforderlich, um die Länge der Ionenleitfähigkeit zu reduzieren und das mögliche Volumen der gespeicherten Ladung zu vergrößern. Das Problem, diesen Abstand zu minimieren, besteht darin, dass die Fasern ziemlich "flockig" sind. Das heißt, der Edelstahlfaden ist nicht glatt. Kleine Zotten an den Fäden ragen in verschiedene Richtungen heraus und kommen mit den benachbarten in Kontakt, wodurch Kurzschlüsse verursacht werden. Wie dieses Problem zu lösen ist einfach, aber effektiv? Verwenden Sie natürlich elastische Textilien. Zuerst wird der Stoff "zusammengedrückt" und auf das MSC-Material aufgenäht, woraufhin die Befestigungselemente entfernt werden und der Stoff in seinen natürlichen Zustand übergeht. Sogar Stiche aus Material (Stoff) haben als eine Art "Augenmaß" genutzt. Der Abstand zwischen den sechs Elektroden ist immer gleich - 2 Stiche. Jede der Elektroden besteht aus 2 Fäden, die mit PEDOT-Cl beschichtet und zu einem Ganzen verschlungen sind. Die Länge der Elektroden beträgt 5 mm, die Breite beträgt 0,6 mm und die Höhe beträgt 1,2 mm. Die Abmessungen sind auch nicht zufällig, da sie einen großen Einfluss auf den Gesamtindikator für die Energiedichte haben.

    Nachdem die Elektroden auf das komprimierte Gewebe aufgenäht sind, wird der Gelelektrolyt PVA / H 2 SO 4 darauf aufgebracht . Bis zum Gefrieren wird das Grundgewebe nivelliert, wodurch eine weitere zusätzliche Barriere zwischen den Elektroden entsteht, so dass keine Verschlüsse auftreten.

    Die Grafiken unter den MSC-Bildern zeigen Voltammogramme von textilen MSC mit Gelelektrolyt PVA / H 2 SO 4 ( s ) und Elektrolyt EMIMBF4 (vollständiger Name: 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat) ( d ).

    Bei einer Abtastrate von 2 mV / s beträgt die Kapazität von MSC mit PVA / H 2 SO 4 80 mF / cm 2. Wenn die Geschwindigkeit auf 5 mV / s - 60 mF / cm 2 erhöht wird . Mit unglaublichen 300 mV / s sinkt die Kapazitätsanzeige auf 26, bleibt aber stabil.

    MSC mit Elektrolyt EMIMBF4 zeigte beim Scannen bei 5 mV / s ein etwas geringeres Ergebnis - 50 mF / cm 2 .


    Prüfen der Probe auf Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung ( a , b ). Elektrochemische Beständigkeit ( en ). Vergleich der derzeit fortschrittlichsten MSC und der in dieser Studie erlebten MSC ( d ).

    Nun müssen wir verstehen, wie robust die MSC ist, und wie Wissenschaftler diesen Parameter getestet haben.

    Galvanostatische Messungen der Ladung / Entladung wurden durchgeführt, wenn die Probe in einem Winkel von 90 ° oder 180 ° gebogen wurde. Das Exemplar wurde auch aufgerollt und aufgerollt. Mit anderen Worten, die Wissenschaftler verspotteten ihn, so gut sie konnten, und das ist völlig berechtigt, denn wer braucht zum Beispiel ein T-Shirt mit diesen MSCs, das man weder tragen noch in einen Koffer falten kann? Die Indikatoren für Ladung / Entladung waren absolut die gleichen wie die der Probe in einem ruhigen Zustand (ohne mechanische Einwirkung darauf).

    Graph C zeigt die Messergebnisse der elektrochemischen Stabilität von MSC mit Gelelektrolyt PVA / H 2 SO 4. Nach 4000 Zyklen behielt die Probe 71% ihres ursprünglichen elektrochemischen Zustands (Kapazität) bei. Nach 12 Stunden Ruhezeit erholte sich der Indikator für die Probenkapazität auf 93%. Die Wissenschaftler wiederholten den Test mit der gleichen Anzahl von Zyklen und die Ergebnisse waren die gleichen (71%, dann nach 12 Stunden - 93%). Wenn Sie glauben, dass Wissenschaftler alles 1-mal geprüft haben, dann täuschen Sie sich. Dieser Test wurde dreimal an 12 verschiedenen Geräten durchgeführt. Und alle Ergebnisse waren fast identisch.

    Wissenschaftler haben die bereits entwickelte MSC und ihre Erstellung verglichen. Ihre Variante der textilen MSC hat eine zehnmal höhere Energiedichte als flexible Vorläufer aus Papier oder Kunststoff. Textil-MSC hat eine Dichte von 0,1 mW · h / g.


    Ein schlichtes T-Shirt mit einem ungewöhnlichen MSC-Logo.

    Für eine ausführliche Bekanntschaft mit der Studie empfehle ich, hier zu schauen (Bericht der Forschungsgruppe) .

    Epilog

    Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Technologie etwas Arbeit braucht. Hauptsächlich aufgrund von Kompatibilitätsproblemen mit verschiedenen Geräteoptionen. Bei der Arbeit mit Mikro-Superkondensatoren sind die Gerätearchitektur, die Abmessungen der Elektroden und der Abstand zwischen ihnen von größter Bedeutung. Dementsprechend ist auch das Auftragen von textilem MSC auf der Basis, dh das Zusammennähen, ein sehr mühsamer Prozess, der eine unglaubliche Präzision erfordert. Geringfügige Abweichungen im "Muster" können zur Funktionsunfähigkeit des gesamten Geräts führen. Dies sind jedoch Probleme, die immer in der einen oder anderen Form entstehen, wenn etwas Neues und Einzigartiges geschaffen wird. Sie sollten die Wissenschaftler nicht dazu veranlassen, zu sagen: "Nun, lass uns gehen, es ist besser, die Gottesanbeterin mit einem Kraken zu überqueren." Textiltechnologie MSC hat ein großes Potenzial. Und sehr nett Die Wissenschaftler selbst richten ihre Aufmerksamkeit nicht auf Smartphones und iPods (übertrieben), sondern auf viel wichtigere tragbare Geräte - medizinische. Ja, jetzt gibt es beispielsweise Armbänder zur Überwachung der Herzfrequenz. Sie sind kompakt und bequem. Aber lohnt es sich, dort anzuhalten? Ich denke nicht, sonst würden wir immer noch mit Handys gehen, deren Antenne größer ist als die, die ich auf dem Land für den Fernseher habe. Der Perfektion sind keine Grenzen gesetzt. Und wenn Wissenschaftler etwas schaffen wollen, das den Menschen und ihrer Gesundheit nützt, wird es zumindest respektiert. als ich auf dem Land für das Fernsehen habe. Der Perfektion sind keine Grenzen gesetzt. Und wenn Wissenschaftler etwas schaffen wollen, das den Menschen und ihrer Gesundheit nützt, wird es zumindest respektiert. als ich auf dem Land für das Fernsehen habe. Der Perfektion sind keine Grenzen gesetzt. Und wenn Wissenschaftler etwas schaffen wollen, das den Menschen und ihrer Gesundheit nützt, wird es zumindest respektiert.

    Und natürlich am Freitag offtop:
    Neuere Studien auf dem Gebiet der Neurowissenschaften haben bestätigt, dass Umarmungen einen sehr positiven Einfluss auf die Erholung des Nervensystems und das psychische Gleichgewicht einer Person nach Stress haben. Daher ist hier Ihr offtopic Thema zu diesem offtopic (verzeihen Sie das Wortspiel).



    Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig, seien Sie gesund und umarmen Sie Ihre Angehörigen und Verwandten. Ich wünsche euch ein tolles Wochenende.


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