Представьте себе, что вы можете генерировать электричество, используя влагу в воздухе вокруг себя с помощью обычных предметов, таких как морская соль и кусок ткани, или даже питать повседневную электронику с помощью нетоксичной батареи, тонкой, как бумага. Группа исследователей из Колледжа дизайна и инженерии (CDE) Национального университета Сингапура (NUS) разработала новое устройство для выработки электроэнергии с использованием влаги (MEG), изготовленное из тонкого слоя ткани толщиной около 0,3 миллиметра (мм). — морская соль, углеродные чернила и специальный водопоглощающий гель.
Концепция устройств МЭГ основана на способности различных материалов генерировать электричество при взаимодействии с влагой воздуха. Эта область вызывает растущий интерес из-за ее потенциала для широкого спектра реальных приложений, включая устройства с автономным питанием, такие как носимая электроника, такая как мониторы здоровья, электронные датчики кожи и устройства хранения информации.
Ключевые проблемы современных технологий MEG включают насыщение устройства водой при воздействии влажности окружающей среды и неудовлетворительные электрические характеристики. Таким образом, электричества, вырабатываемого обычными устройствами МЭГ, недостаточно для питания электрических устройств, а также оно не является устойчивым.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследовательская группа под руководством доцента Тан Сви Чинг из Департамента материаловедения и инженерии CDE разработала новое устройство МЭГ, содержащее две области с разными свойствами, чтобы постоянно поддерживать разницу в содержании воды в регионах для выработки электроэнергии. и обеспечить электрическую мощность в течение сотен часов.
Этот технологический прорыв был опубликован в печатной версии научного журнала Advanced Materials 26 мая 2022 года.
Долговечная самозаряжающаяся тканевая «батарея»
Устройство MEG команды NUS состоит из тонкого слоя ткани, покрытого углеродными наночастицами. В своем исследовании команда использовала имеющуюся в продаже ткань из древесной массы и полиэстера.
Одна область ткани покрыта гигроскопичным ионным гидрогелем, и эта область известна как влажная область. Изготовленный из морской соли, специальный водопоглощающий гель может поглощать в шесть раз больше своего первоначального веса и используется для сбора влаги из воздуха.
«Морская соль была выбрана в качестве водопоглощающего соединения из-за ее нетоксичных свойств и ее способности обеспечить устойчивый вариант для опреснительных установок по утилизации образовавшейся морской соли и рассола», — поделился доцент Тан.
Другой конец ткани представляет собой сухую область, не содержащую гигроскопичного слоя ионного гидрогеля. Это делается для того, чтобы эта область оставалась сухой, а вода ограничивалась влажной областью.
После того, как устройство МЭГ собрано, электричество вырабатывается, когда ионы морской соли отделяются, когда вода поглощается во влажной области. Свободные ионы с положительным зарядом (катионы) поглощаются отрицательно заряженными углеродными наночастицами. Это вызывает изменения на поверхности ткани, создавая на ней электрическое поле. Эти изменения поверхности также дают ткани возможность накапливать электричество для последующего использования.
Используя уникальную конструкцию влажно-сухих областей, исследователи NUS смогли поддерживать высокое содержание воды во влажной области и низкое содержание воды в засушливой области. Это будет поддерживать электрическую мощность, даже когда влажная область насыщена водой. После пребывания в открытой влажной среде в течение 30 дней вода все еще оставалась во влажной области, что свидетельствует об эффективности устройства в поддержании выходной электрической мощности.
«Благодаря этой уникальной асимметричной структуре электрические характеристики нашего устройства МЭГ значительно улучшены по сравнению с предыдущими технологиями МЭГ, что позволяет питать многие распространенные электронные устройства, такие как мониторы здоровья и носимую электронику», — пояснил ассистент. Проф. Тан.
Устройство MEG, разработанное командой, также продемонстрировало высокую гибкость и было способно выдерживать нагрузки от скручивания, прокатки и изгиба. Интересно, что исследователи продемонстрировали его выдающуюся гибкость, сложив ткань в виде журавлика-оригами, что не повлияло на общие электрические характеристики устройства.
Портативный блок питания и многое другое
Устройство МЭГ имеет немедленное применение благодаря простоте масштабирования и коммерчески доступному сырью. Одним из самых непосредственных применений является использование в качестве портативного источника питания для мобильной электроники, питаемой непосредственно от влажности окружающей среды.
«После поглощения воды один кусок вырабатывающей энергию ткани размером 1,5 на 2 сантиметра может обеспечивать до 0,7 вольт (В) электричества в течение более 150 часов при постоянной среде», — сказал член исследовательской группы доктор Чжан Яоксин.
Команда NUS также успешно продемонстрировала масштабируемость своего нового устройства для производства электроэнергии для различных приложений. Команда NUS соединила вместе три куска генерирующей энергию ткани и поместила их в напечатанный на 3D-принтере корпус размером со стандартную батарейку типа АА. Напряжение собранного устройства было протестировано и достигло 1,96 В — выше, чем у коммерческой батареи типа АА с напряжением около 1,5 В — что достаточно для питания небольших электронных устройств, таких как будильник.
Масштабируемость изобретения NUS, удобство получения коммерчески доступного сырья, а также низкая стоимость изготовления, составляющая около 0,15 доллара США за квадратный метр, делают устройство МЭГ подходящим для массового производства.
«Наше устройство демонстрирует отличную масштабируемость при низкой стоимости изготовления. По сравнению с другими структурами и устройствами MEG, наше изобретение проще и легче для масштабирования интеграции и соединений. Мы считаем, что оно имеет большие перспективы для коммерциализации», — поделился ассистент. Проф. Тан.
Исследователи подали патент на технологию и планируют изучить потенциальные стратегии коммерциализации для реальных приложений.
