أينما نظرت ، بطريقة أو بأخرى ، ستحدق في شيء يتطلب طاقة: من الهواتف المحمولة إلى الأجهزة الطبية القابلة للارتداء الأكثر أهمية. تقوم العشرات ، إن لم يكن أكثر ، من مجموعات البحث حول العالم بالعصف الذهني بحثًا عن طرق جديدة لتوليد الطاقة وتخزينها. يركز شخص ما على البلاستيك ، وشخص على الورق ، ويقترح شخص آخر حتى استخدام البكتيريا الموجودة في حالة "الجمال النائم" حتى تحتاج إلى إعادة شحن الهاتف. قرر أبطالنا اليوم اتخاذ نهج أكثر حرفية لمفهوم "حاملات الطاقة القابلة للارتداء". ماذا نرتدي دائما تقريبا؟ بالطبع الملابس. من الممكن وليس من الصعب إدخال نوع من "البطارية" كما يبدو. ولكن أليس من الأبرد جعل النسيج نفسه ناقلًا للطاقة؟ فقط تخيلوا هذه الحوارات من المستقبل: "عزيزتي ، أين الشحن من قميصي؟" أو "سأعاود الاتصال بك ، وإلا سينفد الجينز الخاص بي قريبًا". حسنًا ، لننتقل من النكات المسطحة إلى جوهر الدراسة. كيف ابتكر العلماء ثيابًا "نشطة" ، وما مدى فعالية صنعها وما هي الاحتمالات؟ نتعمق في تقرير الباحثين الباحثين عن إجابات. دعنا نذهب.
أساس الدراسةيلاحظ العلماء أنه لإنشاء أجهزة مراقبة صحية محمولة كاملة وفعالة وعملية (أو أجهزة شخصية أخرى) ، تعتبر البطاريات غير القياسية عنصرًا مهمًا للغاية. المرشحون الممتازون لهذا المنصب هم MSC (المكثفات الفائقة الدقيقة) ، والتي ، على عكس
المكثفات الفائقة الكلاسيكية
* ، يمكن أن تكون صغيرة للغاية ، وهي أخبار جيدة.
Supercapacitor * هو جهاز تخزين شحن كهروكيميائي مع إلكتروليت عضوي / غير عضوي وطبقة كهربائية مزدوجة بين القطب والكهارل.
بطبيعة الحال ، فإن أكثر هذه البطاريات جاذبية هو سعرها ، والذي يعض إلى حد كبير. ومع ذلك ، يجادل العلماء بأنها ستنخفض مع تطور التكنولوجيا ومن خلال استخدام المزيد من المواد الاقتصادية وتوسيع الإنتاج الضخم. في الوقت الحالي ، يتم توجيه الكثير من الاهتمام إلى MSC على الورق أو البلاستيك. لكن المنسوجات لا تحظى بشعبية كبيرة بين الباحثين. تكمن الصعوبة الرئيسية في تصنيع أقطاب الألياف الكهروكيميائية التي يمكن استخدامها لإنشاء MSC. ومع ذلك ، للتوقف بسبب حقيقة أن المهمة صعبة ، فإن أبطالنا اليوم لن يفعلوا.
لاحظ الباحثون مؤشرين مهمين يجب أن يكون لديهم المكثفات الفائقة القابلة للارتداء: كثافة طاقة عالية ومقاومة ميكانيكية. ولكن ما هي المواد لاستخدامها؟ هناك العديد من الخيارات: الجرافين ، البوليمرات المترافقة ، MXene ، الأنابيب النانوية الكربونية ، إلخ. إن إدخال المواد النشطة كهروكيميائية ذات الموصلية الكهربائية العالية في المنسوجات ليست مهمة سهلة. النيكل وأكسيد الجرافين المنخفض ، الذي تم تضمينهما في المنسوجات المعدة مسبقًا لتنفيذ المنسوجات MSC ، أثبتا أنهما جيدين في ذلك. لكن هذا الخيار لا يزال لا يحتوي على كثافة طاقة كافية للاستخدام العملي.
التركيب الكيميائي لـ PEDOT-Cl.في هذه الدراسة نفسها ، قرر العلماء استخدام مادة أكثر "غريبة" - PEDOT-Cl. اسم آخر (لمحبي الإحماء المفصلي) هو بولي من
نوع p (3،4-ethylenedioxythiophene)
* .
أشباه الموصلات من النوع p * هي أشباه الموصلات التي تكون فيها الثقوب حاملة الشحنة الرئيسية. يتم الحصول عليه عن طريق المنشطات مع متقبلين لأشباه الموصلات الخاصة.
يوضح طلاء PEDOT-Cl ، المطبق على الركيزة عن طريق الترسيب الفراغي ، درجة عالية من الموصلية الكهربائية على المنسوجات والخصائص الكهروكيميائية المستقرة إلى حد ما. وهكذا ، تمكن العلماء من إنشاء مكثف فائق الصغر للنسيج بكثافة عالية للطاقة ، وأساسه عبارة عن ركيزة نسيجية مرنة وخيوط موصلة مع رش PEDOT-Cl.
الآن نحن نتعمق قليلاً في البحث عن تفاصيل هذا الإبداع الفريد.
إعداد القاعدة الماديةبالنسبة للمبتدئين ، كان من الضروري تطبيق أفلام PEDOT-Cl من النوع P على قاعدة من الفولاذ المقاوم للصدأ. كان المونومير 3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين (EDOT) ، و FeCl
3 ، حديد (III) ، يعمل كعامل مؤكسد. بعد تسخين EDOT إلى 90 درجة مئوية ، تم وضع المونومر في غرفة تحتوي على الأرجون باستخدام صمام إبرة Swagelok SS-4JB ، افتح ربع دورة.
رسم تخطيطي للكاميرا.كان الضغط في الغرفة 300 ± 10 mTorr ، وكانت درجة الحرارة 120 ° C. تم الحفاظ على هذه المعلمات طوال إجراء ترسب الفيلم بأكمله على الركيزة. تم التحكم في سمك الفيلم المطبق ومعدل الترسيب (2 مم / ثانية) عن طريق معدل التبخر لعامل الأكسدة FeCl3 ، والذي تم قياسه باستخدام موازين الكوارتز الدقيقة الموجودة داخل الغرفة. عند استلام سمك الفيلم المطلوب ، توقفت عملية التقديم ، لكن الغرفة ظلت محكمة الإغلاق حتى انخفضت درجة الحرارة إلى 60 درجة. للتنقية ، تم وضع الفيلم الناتج في الميثانول لمدة 15 دقيقة.
ظهور الخيط قبل وبعد تطبيق PEDOT-Cl.لإنشاء MSC كامل الحالة الصلبة ، تم استخدام إلكتروليت جل بوليمر مصنوع عن طريق إدخال 1 جرام من كحول البولي فينيل ببطء إلى 10 جرام من محلول H
2 SO
4 . ثم يسخن الخليط إلى 90 درجة مئوية ويقلب لمدة ساعتين. بعد ذلك ، يوضع الخليط الناتج على الأقطاب الكهربائية ويجفف.
نتائج البحوث
صور SEM للخيوط قبل وبعد تطبيق PEDOT-Cl و مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (الصف السفلي).في نهج واحد ، إذا جاز التعبير ، يمكنك عمل حوالي 32 قدمًا (9.7536 م) من الخيوط. وفقا للعلماء ، فإن المشكلة الرئيسية للحصول على الكثير من كثافة الطاقة العالية اللازمة هي ضعف التصاق (التصاق) المواد الإلكترونية أو التشكل غير الأمثل للأغشية السميكة ، مما يجعل عملية نقل الأيونات صعبة للغاية. في الواقع ، كلما كان الخيط أكثر سمكًا ، كان ذلك أفضل ، ولكن إذا بالغت في ذلك ، فسوف يزداد سوءًا.
في هذه الدراسة ، ساعدت طريقة التطبيق نفسها ، الترسيب الفراغي ، في حل هذه المشكلة. كان استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ كقاعدة أيضًا ميزة إضافية ، نظرًا لأن هذه المادة ، نظرًا لهيكلها (انظر إلى الصور أعلاه) ، لديها مساحة أكبر للالتصاق بفيلم PEDOT-Cl.
تظهر الصور أعلاه نتائج التصوير الشعاعي للجهد الدوري التي تم الحصول عليها باستخدام خلية إلكتروليتية ثلاثية الأقطاب في 0.5 M Na
2 SO
4 أو 0.5 MH
2 SO
4 . يعمل خيط بطبقة PEDOT-Cl بطول 1 سم كقطب عامل. أقطاب مساعدة: البلاتين كقطب مؤشر وكلوريد الفضة (Ag / AgCl) كقطب مرجعي.
عند المسح (5 mV / s) في Na
2 SO
4 ، يتم تحقيق سعة كهربائية تبلغ 15 mF / سم (مليفار لكل سنتيمتر) ، وفي H
2 SO 4-12 mF / cm. يعتبر العلماء أن تأثير المسح نفسه على المؤشرات غير مهم. لذا ، عند سرعة مسح تبلغ 100 مللي فولت / ثانية ، ينخفض الأداء في كل من الإلكتروليتات إلى مستوى 8.5 مللي إف / سم.
هنا نرى عملية إنشاء MSC للنسيج (الصورة أعلاه
أ ). نقطة مهمة جدًا هي تقليل المسافة بين مسامير القطب (دعنا نسميها ذلك ، لأنها في الدراسة تسمى "أصابع القطب"). هذا ضروري للاستخدام في أصغر الأجهزة ، لتقليل طول الموصلية الأيونية وزيادة الكمية الممكنة من الشحنة المخزنة. مشكلة تقليل هذه المسافة هي أن الألياف "زغبية" تمامًا. أي أن خيط الفولاذ المقاوم للصدأ ليس سلسًا. تلتصق الألياف الصغيرة على الخيوط في اتجاهات مختلفة وتلمس الاتجاهات المجاورة ، مما يتسبب في حدوث دوائر قصيرة. كيفية حل هذه المشكلة بسيطة ولكنها فعالة؟ استخدم النسيج المطاطي بالطبع. أولاً ، يتم ضغط النسيج وخياطته بواسطة MSC ، وبعد ذلك تتم إزالة السحابات ، ويدخل النسيج إلى حالته الطبيعية. حتى غرز المواد (القماش) قد استفادت ، بمثابة نوع من "العين". المسافة بين الأقطاب الستة هي نفسها دائمًا - 2 غرز. كل من الأقطاب الكهربائية عبارة عن خطين مطليين بـ PEDOT-Cl ومتشابكين لتشكيل وحدة واحدة. يبلغ طول الأقطاب الكهربائية 5 مم ، والعرض 0.6 مم ، والارتفاع 1.2 مم. الأبعاد ليست عشوائية أيضًا ، لأن لها تأثيرًا كبيرًا على مؤشر كثافة الطاقة الكلي.
بعد خياطة الأقطاب الكهربائية على الأنسجة المضغوطة ، يتم تطبيق محلول إلكتروليتي PVA / H
2 SO
4 عليها. حتى يتماسك ، يتم تسوية النسيج الأساسي ، وبالتالي توفير حاجز إضافي آخر بين الأقطاب الكهربائية حتى لا تحدث دوائر قصيرة.
تظهر الرسوم البيانية أدناه صور MSC الفولتاجوجرام من MSCs النسيج مع PVA / H
2 SO
4 إلكتروليتات هلام و إلكتروليت EMIMBF4 (الاسم الكامل: 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) (
د ).
بسرعة مسح تبلغ 2 mV / s ، تبلغ سعة MSC مع PVA / H
2 SO
4 80 mF / cm
2 . إذا تم زيادة السرعة إلى 5 مللي فولت / ثانية - 60 مللي إف / سم
2 . وعند 300 mV / s مذهلة ، يظل مؤشر السعة ، على الرغم من انخفاضه إلى 26 ، ثابتًا.
أظهر MSC مع المنحل بالكهرباء EMIMBF4 عند المسح عند 5 mV / s نتيجة أقل قليلاً - 50 mF / cm
2 .
فحص العينة لمقاومة الإجهاد الميكانيكي ( أ ، ب ). المقاومة (المقاومة) الكهروكيميائية. مقارنة بين MSC الأكثر تقدمًا المتوفر حاليًا واختبار MSC في هذه الدراسة ( د ).الآن أنت بحاجة إلى فهم مدى صعوبة ، إذا جاز التعبير ، MSC وكيف اختبر العلماء هذه المعلمة.
تم إجراء قياسات الشحنة / التفريغ الجلفانوستاتيكي عندما تم ثني العينة بزاوية 90 درجة أو 180 درجة. كما تم لف العينة ولفها. وبعبارة أخرى ، سخر منه العلماء بأفضل ما يمكنهم ، وهذا مبرر تمامًا ، لأن من يحتاج ، على سبيل المثال ، إلى قميص مع هذه الخلايا الجذعية التي لا يمكن ارتداؤها أو وضعها في حقيبة. تبين أن مؤشرات الشحن / التفريغ هي نفسها تمامًا كما هو الحال بالنسبة للعينة في حالة هادئة (بدون تأثير ميكانيكي عليها).
يوضح الرسم البياني
c المقاومة الكهروكيميائية لـ MSC مع إلكتروليت PVA / H
2 SO
4 gel. بعد 4000 دورة ، احتفظت العينة بـ 71٪ من حالتها (السعة) الكهروكيميائية الأولية. بعد 12 ساعة في حالة هادئة ، تم استعادة مؤشر سعة العينة إلى 93٪. كرر العلماء الاختبار بنفس عدد الدورات ، وكانت النتائج هي نفسها (71٪ ، ثم بعد 12 ساعة - 93٪). إذا كنت تعتقد أن العلماء فحصوا كل شيء مرة واحدة ، فأنت مخطئ. تم إجراء هذا الاختبار على 12 جهاز مختلف 3 مرات. وكانت جميع النتائج متطابقة تقريبًا.
قارن العلماء بين MSC المطور بالفعل وإنشاءهم. إن نسختهم من المنسوجات MSC لديها كثافة طاقة أعلى بحوالي من تلك السلائف الورقية أو البلاستيكية المرنة. النسيج MSC بكثافة 0.1 mW⋅h / ز.
تي شيرت سادة مع شعار غير عادي من MSC.للتعرف على تفاصيل الدراسة ، أوصيك بالنظر
هنا (تقرير مجموعة البحث) .
خاتمةيلاحظ العلماء أن التكنولوجيا الخاصة بهم تتطلب تحسينات. في الغالب بسبب مشاكل التوافق مع خيارات الجهاز المختلفة. عند العمل مع المكثفات الفائقة الصغرى ، فإن هندسة الجهاز وأبعاد الأقطاب الكهربائية والمسافة بينهما ذات أهمية كبيرة. وفقا لذلك ، حتى تطبيق MSC للنسيج على القاعدة ، أي لخياطة واحد إلى الآخر ، هو عملية شاقة للغاية تتطلب دقة لا تصدق. يمكن أن تؤدي الانحرافات الطفيفة في "النمط" إلى عدم عمل الجهاز بأكمله. لكن هذه مشاكل تنشأ دائمًا بشكل أو بآخر في عملية إنشاء شيء جديد وفريد. لا يجب أن يكونوا سببًا ليقول العلماء: "حسنًا ، من الأفضل عبور السرعوف بالأخطبوط". تكنولوجيا النسيج MSC لديها إمكانات هائلة. ومن الممتع للغاية أن العلماء أنفسهم يركزون اهتمامهم ليس على الهواتف الذكية وأجهزة iPod (بشكل مبالغ فيه) ، ولكن على الأجهزة القابلة للارتداء الأكثر أهمية - الأجهزة الطبية. نعم ، الآن هناك ، على سبيل المثال ، أساور لمراقبة معدل ضربات القلب. فهي مدمجة ومريحة. ولكن هل يستحق التوقف عند هذا الحد؟ لا أعتقد خلاف ذلك ، ما زلنا نذهب مع الهواتف المحمولة ، التي لديها هوائي أكبر مما لدي في المنزل الريفي للتلفزيون. ليس هناك حد للكمال. وإذا أراد العلماء إنشاء شيء يفيد الناس وصحتهم ، فيجب احترامه على الأقل.
وبالطبع ، يوم الجمعة offtopic:أكدت الدراسات الحديثة في مجال علم الأعصاب أن العناق له تأثير إيجابي للغاية على استعادة الجهاز العصبي والتوازن العقلي للشخص بعد معاناته من الإجهاد. لذلك ، إليك أحد الأوتوبيك بالنسبة لموضوع هذا الأوبتيك (آسف للتورية).
شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ، كونوا أصحاء وعانقوا أحباءكم وأقاربكم أكثر أتمنى لكم عطلة نهاية أسبوع لطيفة.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب
هنا .
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟