Представлен революционный процесс создания нового поколения носимых волокон с питанием

Прочитано: 70 раз(а)


Исследователи из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, разработали новые масштабируемые методы разработки волокон, питающихся от батарей и солнечных батарей, что теоретически делает возможным сбор электрической энергии и ее хранение в одежде.

Эти волокна могут питать высокопроизводительную носимую электронику, которая дышит, растягивается и стирается, как обычный текстиль.

Эта разработка в области волоконных источников питания — батарей субмиллиметровой толщины и фотоэлектрических нитей, которые можно вплетать непосредственно в ткани — открывает новый мир носимой электроники и умного текстиля.

Вместо того, чтобы носить с собой кардиомонитор с громоздкими батареями, пациент может носить рубашку, в которую вплетены волокна, питающиеся от батарей и солнечных батарей. Одежда с питанием от оптоволокна может нагреваться, чтобы согреть человека в холодных условиях, или пронизана волокнами с питанием от батарей и солнечных батарей, чтобы обеспечить солдатам возможность аудио- и видеозаписи без помощи рук в полевых условиях.

«Поскольку требования к электронному текстилю меняются, существует потребность в меньших по размеру источниках питания, которые можно использовать повторно, долговечны и растягиваются», — сказал Константинос Герасопулос, помощник менеджера программы по физике, электронным материалам и устройствам в APL и ведущий исследователь этого проекта.

«Наша цель — разработать волокна для сбора солнечной энергии, которые смогут преобразовывать солнечный свет в электричество, и волокна для аккумуляторов, которые смогут хранить вырабатываемое электричество в текстиле».

Расширяя границы

Производство и дизайн ограничивают масштабируемость и производительность волоконных батарей. Промышленное текстильное оборудование используется для производства волоконных батарей, но его огромные масштабы ограничивают его использование специализированными предприятиями, которые несовместимы с аккумуляторной промышленностью. Стандартные оптоволоконные батареи также страдают от более низкой производительности, поскольку электроды обычно скручены вместе, что делает большую часть поверхности электродов неактивной.

Теперь в исследовании , опубликованном в журнале Advanced Materials Technologies, ученые APL продемонстрировали новый метод масштабирования производства волоконных батарей.

Вместо использования текстильного оборудования команда APL адаптировала аккумуляторное оборудование так, чтобы добиться толщины, необходимой для волоконных батарей. Эта стратегия, включающая создание индивидуальных установок для рулонной печати, сделала процесс портативным и пригодным для крупномасштабного производства. Все оборудование, необходимое для создания волоконных батарей, могло поместиться в небольшой комнате.

«Мы всегда проектировали с учетом совместимости рулонов», — сказала Рэйчел Альтмайер, ведущий автор статьи. «Нам необходимо иметь возможность запускать все наши процессы непрерывно, иначе то, что мы разрабатываем, не будет иметь значения. Этот процесс можно было бы включить в существующую производственную линию».

Аккумуляторы состоят из плоских полос анодных и катодных электродов и полимерного сепаратора, которые подаются вместе в нагретый валковый пресс и ламинируются в стопку. Конструкция аналогична конструкции обычных аккумуляторов ( например, аккумуляторов для сотовых телефонов) и обеспечивает более высокую мощность и производительность, чем стандартные оптоволоконные аккумуляторы. Затем стопку разрезают лазером на волокнообразную прядь шириной примерно 700 микрометров — примерно в пять человеческих волос.

Это знаменует собой первое использование лазерной резки на полностью заряженной батарее и демонстрирует жизнеспособность метода для индивидуальной настройки размера батареи и поддержания производительности. Скорость режущей системы также делает ее масштабируемой.

«Мы можем обработать 100 метров волокна всего за пять часов», — сказал Джейсон Тиффани, инженер APL и соавтор статьи. «Благодаря нашему процессу мы можем сделать волокна меньшего размера и более энергетически плотными, что может открыть еще больше возможностей для применения в текстиле».

Работа над оптоволоконными батареями дополняет технологический набор инструментов команды, который включает в себя разработку гибкой литий-ионной батареи, способной работать в экстремальных условиях, а также безопасных батарей с быстрой зарядкой.

Во второй статье , также опубликованной в Advanced Functional Materials, команда APL также рассмотрела задачу создания масштабируемых, высокопроизводительных волокон, которые могут собирать свет и преобразовывать его в электричество.

«Как и в случае с оптоволокном для аккумуляторов, нас вдохновила традиционная технология солнечных батарей, которая очень эффективна и надежна», — сказал Герасопулос. «Мы спросили, как мы можем превратить эти источники энергии в волокна?»

«Самая большая проблема современной технологии солнечных батарей — это ее жесткость», — сказал Майкл Джин, ведущий автор статьи о солнечных элементах. «Вы можете себе представить, что сжать солнечные панели, например, те, что на крыше, в крошечное солнечное волокно, очень сложно».

Чтобы решить эту проблему, команда использовала особый тип солнечного элемента, который имеет как положительные, так и отрицательные клеммы на задней стороне в виде пальцев. Начиная с этой ячейки, исследователи разрезали и собрали крошечные солнечные элементы на тонких гибких платах, а затем запечатали их в защитный полимер, чтобы создать нить, похожую на волокно. Солнечные элементы настолько малы, что могут поместиться между выступами отпечатков пальцев.

«Мы использовали стандартные процессы производства микроэлектроники, чтобы разработать новый подход, который превратил нынешнюю технологию жестких солнечных батарей в гибкие и прочные волокна», — сказал Джин. «Даже после сгибания волокна 8000 раз мы не заметили никаких изменений в его характеристиках».

Для дальнейшего тестирования прочности этих волокон команда постоянно подвергала их воздействию света в лаборатории, моделируя общее количество часов солнечного света, которое наблюдается в международном аэропорту Вашингтона имени Даллеса в типичный весенний месяц. Тем не менее, эффективность волокна осталась неизменной.

В качестве доказательства концепции исследователи использовали изготовленный на заказ мини-ткацкий станок для плетения нейлоновых волокон и волокон солнечных батарей в небольшой текстиль. Образец волокон был помещен под лампу и прикреплен к небольшой монтажной плате и светодиодному мигающему свету, и через несколько секунд полоска включила мигающий красный свет мигающего света.

Метод, используемый для сборки и герметизации солнечных элементов на волоконных подложках, также может быть распространен на другие источники. Вместо солнечных элементов это могут быть датчики, светодиоды или батареи, установленные на поверхности гибких волокон, которые могут выполнять множество функций.

«Наша команда продолжает искать способы создания наиболее эффективных, отказоустойчивых и передовых источников энергии», — сказал Джефф Маранчи, менеджер направления исследовательской программы в отделе исследований и исследовательских разработок APL.

«Текстиль, сочетающий в себе сбор легкой энергии и аккумуляторные волокна, может совершить революцию в том, чего сегодня могут достичь носимые устройства. Очень скоро эти волокна позволят распределять энергию на основе ткани, обогрев, связь и датчики, обеспечивая при этом комфорт и простоту обычного текстиля».

Представлен революционный процесс создания нового поколения носимых волокон с питанием



Новости партнеров