Tragbare „Batterien“: Textile Mikrosuperkondensatoren auf Basis von PEDOT-Cl

Wo immer Sie hinschauen, auf die eine oder andere Weise werden Sie auf etwas starren, das Energie benötigt: von Mobiltelefonen bis zu viel wichtigeren tragbaren medizinischen Geräten. Dutzende, wenn nicht sogar mehr Forschungsgruppen auf der ganzen Welt suchen nach neuen Methoden zur Erzeugung und Speicherung von Energie. Jemand konzentriert sich auf Plastik, jemand auf Papier und jemand schlägt sogar vor, Bakterien zu verwenden, die sich im Zustand „Dornröschen“ befinden, bis Sie das Telefon aufladen müssen. Unsere heutigen Helden haben beschlossen, das Konzept der „tragbaren Energieträger“ wörtlicher zu betrachten. Was tragen wir fast immer? Natürlich Kleidung. Es ist möglich und nicht so schwierig, eine Art „Batterie“ einzuführen, wie es scheint. Aber ist es nicht cooler, den Stoff selbst zu einem Energieträger zu machen? Stellen Sie sich diese Dialoge aus der Zukunft vor: "Schatz, wo ist die Ladung von meinem T-Shirt?" oder "Ich rufe dich zurück, sonst läuft meine Jeans bald aus." Okay, lasst uns von flachen Witzen zum Kern der Studie übergehen. Wie haben Wissenschaftler „energetische“ Kleidung kreiert, wie effektiv sind sie und wie sind die Aussichten? Wir tauchen in den Bericht der Forscher ein und suchen nach Antworten. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wissenschaftler stellen fest, dass nicht standardmäßige Batterien ein äußerst wichtiges Element sind, um vollständige, effektive und praktische kompakte, tragbare Gesundheitsüberwachungsgeräte (oder andere persönliche Geräte) zu erstellen. Hervorragende Kandidaten für diese Position sind MSC (Micro-Superkondensatoren), die im Gegensatz zu den klassischen Superkondensatoren * extrem klein sein können, was eine gute Nachricht ist.

Superkondensator * ist eine elektrochemische Ladungsspeichervorrichtung mit einem organischen / anorganischen Elektrolyten und einer doppelten elektrischen Schicht zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten.

Das eingängigste Minus solcher Batterien ist natürlich ihr Preis, der ziemlich beißt. Wissenschaftler argumentieren jedoch, dass es mit der Entwicklung der Technologie und durch die Verwendung wirtschaftlicherer Materialien und die Ausweitung der Massenproduktion abnehmen wird. Im Moment wird MSC auf Papier- oder Kunststoffbasis viel Aufmerksamkeit geschenkt. Aber Textilien sind bei Forschern nicht so beliebt. Die Hauptschwierigkeit liegt in der Herstellung elektrochemischer Faserelektroden, die zur Herstellung der MSC verwendet werden würden. Um jedoch aufzuhören, weil die Aufgabe schwierig ist, werden unsere heutigen Helden dies nicht tun.

Die Forscher stellen zwei wichtige Indikatoren fest, die tragbare Superkondensatoren haben sollten: hohe Energiedichte und mechanische Beständigkeit. Aber welches Material soll verwendet werden? Es gibt viele Möglichkeiten: Graphen, konjugierte Polymere, MXen, Kohlenstoffnanoröhren usw. Die Einführung elektrochemisch aktiver Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in Textilien ist keine leichte Aufgabe. Nickel und reduziertes Graphenoxid, die für die Implementierung von textilem MSC in vorbereitete Textilien eingebettet wurden, haben sich hier bewährt. Diese Option hat jedoch immer noch keine ausreichende Energiedichte für den praktischen Gebrauch.


Chemische Struktur von PEDOT-Cl.

In derselben Studie entschieden sich Wissenschaftler für ein noch „exotischeres“ Material - PEDOT-Cl. Ein anderer Name (für Fans der Aufwärmartikulation) ist Poly (3,4-ethylendioxythiophen) vom p-Typ * .

Ein p- Halbleiter * ist ein Halbleiter, in dem Löcher der Hauptladungsträger sind. Es wird durch Dotieren mit Akzeptoren eigener Halbleiter erhalten.

Die Beschichtung aus PEDOT-Cl, die durch Vakuumabscheidung auf das Substrat aufgebracht wird, zeigt einen hohen Grad an elektrischer Leitfähigkeit auf Textilien und ziemlich stabile elektrochemische Eigenschaften. So konnten Wissenschaftler einen textilen Mikro-Superkondensator mit hoher Energiedichte herstellen, dessen Basis ein elastisches Textilsubstrat und leitfähige Fäden mit PEDOT-Cl-Sprühen sind.

Jetzt graben wir etwas tiefer nach den Details dieser einzigartigen Kreation.

Vorbereitung der Materialbasis

Für den Anfang war es notwendig, PEDOT-Cl p-Folien auf einer Edelstahlbasis aufzutragen. Das Monomer war 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT), und FeCl ₃ , Eisen (III), diente als Oxidationsmittel. Nach dem Erhitzen des EDOT auf 90 ° C wurde das Monomer unter Verwendung eines Swagelok SS-4JB-Nadelventils in eine argonhaltige Kammer gegeben und eine viertel Umdrehung geöffnet.


Schematische Darstellung der Kamera.

Der Druck in der Kammer betrug 300 ± 10 mTorr und die Temperatur betrug 120 ° C. Diese Parameter wurden während des gesamten Filmabscheidungsverfahrens auf dem Substrat beibehalten. Die Dicke des aufgebrachten Films und die Abscheidungsrate (2 mm / s) wurden durch die Verdampfungsrate des FeCl 3 -Oxidationsmittels gesteuert, die unter Verwendung von in der Kammer befindlichen Quarz-Mikrowaagen gemessen wurde. Nach Erhalt der gewünschten Filmdicke wurde der Auftragsprozess gestoppt, aber die Kammer blieb luftdicht, bis die Temperatur auf 60 Grad abfiel. Zur Reinigung wurde der resultierende Film 15 Minuten in Methanol gegeben.


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

Zur Herstellung eines vollwertigen Festkörper-MSC wurde ein Polymergelelektrolyt verwendet, der durch langsames Einbringen von 1 g Polyvinylalkohol in 10 g einer Lösung von H ₂ SO _{4 hergestellt wurde} . Das Gemisch wurde dann auf 90 ° C erhitzt und 2 Stunden gerührt. Als nächstes wurde die resultierende Mischung auf die Elektroden aufgebracht und getrocknet.

Forschungsergebnisse


REM-Aufnahmen von Filamenten vor und nach Anwendung von PEDOT-Cl und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (untere Reihe).

In einem sozusagen Ansatz können Sie ungefähr 9,7536 m Fäden herstellen. Laut Wissenschaftlern besteht das Hauptproblem bei der Erzielung einer so notwendigen hohen Energiedichte in einer schlechten Haftung (Adhäsion) des elektronischen Materials oder der nicht optimierten Morphologie dicker Filme, was den Prozess des Ionentransfers äußerst schwierig macht. Je dicker der Faden, desto besser. Wenn Sie ihn jedoch übertreiben, wird er nur noch schlimmer.

In dieser Studie half die Applikationsmethode selbst, die Vakuumabscheidung, dieses Problem zu lösen. Die Verwendung von Edelstahl als Basis war ebenfalls ein Plus, da dieses Material aufgrund seiner Struktur (siehe Bilder oben) mehr Fläche für die Haftung mit PEDOT-Cl-Folie bietet.



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} . Als Arbeitselektrode wurde ein Faden mit einer 1 cm langen PEDOT-Cl-Beschichtung verwendet. Hilfselektroden: Platin als Indikatorelektrode und Silberchlorid (Ag / AgCl) als Referenzelektrode.

Beim Scannen (5 mV / s) in Na ₂ SO ₄ wird eine elektrische Kapazität von 15 mF / cm (Millifarad pro Zentimeter) und in H ₂ SO ₄ - 12 mF / cm erreicht. Wissenschaftler halten den Einfluss des Scans selbst auf Indikatoren für unbedeutend. Bei einer Abtastgeschwindigkeit von 100 mV / s sinkt die Leistung in beiden Elektrolyten auf 8,5 mF / cm.



Hier sehen wir den Prozess der Erstellung von textilen MSCs (Bild über a ). Ein sehr wichtiger Punkt ist die Minimierung des Abstands zwischen den Elektrodenstiften (nennen wir sie so, weil sie in der Studie als „Elektrodenfinger“ bezeichnet werden). Dies ist für die Verwendung in kleinsten Vorrichtungen erforderlich, um die Länge der Ionenleitfähigkeit zu verringern und die mögliche Menge an gespeicherter Ladung zu erhöhen. Das Problem, diesen Abstand zu minimieren, besteht darin, dass die Fasern ziemlich "flauschig" sind. Das heißt, das Edelstahlgewinde ist nicht glatt. Kleine Fasern an den Fäden ragen in verschiedene Richtungen heraus und berühren benachbarte, was zu Kurzschlüssen führt. Wie dieses Problem zu lösen ist einfach, aber effektiv? Verwenden Sie natürlich Stretch-Textilien. Zuerst wird der Stoff von MSC „zusammengedrückt“ und genäht, wonach die Befestigungselemente entfernt werden und der Stoff in seinen natürlichen Zustand übergeht. Sogar die Stiche des Materials (Stoffes) haben davon profitiert und dienen als eine Art "Auge". Der Abstand zwischen den sechs Elektroden ist immer gleich - 2 Stiche. Jede der Elektroden besteht aus 2 mit PEDOT-Cl beschichteten und zu einer Einheit verflochtenen Strängen. Die Länge der Elektroden beträgt 5 mm, die Breite 0,6 mm und die Höhe 1,2 mm. Die Abmessungen sind ebenfalls nicht zufällig, da sie einen großen Einfluss auf den Gesamtenergiedichteindex haben.

Nachdem die Elektroden auf das komprimierte Gewebe genäht wurden, wird ein PVA / H ₂ SO ₄ -Gelelektrolyt auf sie aufgebracht. Bis zum Aushärten wird das Grundgewebe geebnet, wodurch eine weitere zusätzliche Barriere zwischen den Elektroden bereitgestellt wird, so dass keine Kurzschlüsse auftreten.

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

Bei einer Abtastgeschwindigkeit von 2 mV / s beträgt die MSC-Kapazität mit PVA / H ₂ SO ₄ 80 mF / cm ² . Wenn die Geschwindigkeit auf 5 mV / s erhöht wird - 60 mF / cm ² . Und bei unglaublichen 300 mV / s bleibt die Kapazitätsanzeige stabil, obwohl sie auf 26 abfällt.

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


Überprüfen Sie die Probe auf Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung ( a , b ). Elektrochemische Beständigkeit ( en ). Vergleich der derzeit am weitesten fortgeschrittenen verfügbaren MSC mit der in dieser Studie getesteten MSC ( d ).

Jetzt müssen Sie verstehen, wie robust MSC sozusagen ist und wie Wissenschaftler diesen Parameter getestet haben.

Galvanostatische Lade- / Entladungsmessungen wurden durchgeführt, wenn die Probe in einem Winkel von 90 ° oder 180 ° gebogen wurde. Die Probe wurde ebenfalls gedreht und aufgerollt. Mit anderen Worten, Wissenschaftler verspotteten ihn so gut sie konnten, und das ist durchaus gerechtfertigt, denn wer braucht zum Beispiel ein T-Shirt mit diesen MSCs, das weder getragen noch in einen Koffer gesteckt werden kann. Die Lade- / Entladeanzeigen erwiesen sich als genau die gleichen wie für die Probe in einem ruhigen Zustand (ohne mechanische Auswirkungen darauf).

Grafik c zeigt den elektrochemischen Widerstand des MSC mit PVA / H ₂ SO ₄ -Gelelektrolyt. Nach 4000 Zyklen behielt die Probe 71% ihres elektrochemischen Ausgangszustands (Kapazität). Nach 12 Stunden in einem ruhigen Zustand wurde der Probenkapazitätsindex auf 93% wiederhergestellt. 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 einmal überprüft haben, dann irren Sie sich. Dieser Test wurde dreimal an 12 verschiedenen Geräten durchgeführt. Und alle Ergebnisse waren fast identisch.

Wissenschaftler haben das bereits entwickelte MSC und ihre Entstehung verglichen. Ihre Version von textilem MSC hat eine um eine Größenordnung höhere Energiedichte als die von flexiblen Papier- oder Kunststoffvorläufern. Textil-MSC hat eine Dichte von 0,1 mW⋅h / g.


Schlichtes T-Shirt mit einem ungewöhnlichen "Logo" von MSC.

Für eine detaillierte Bekanntschaft mit der Studie empfehle ich Ihnen, hier nachzuschauen (Bericht der Forschungsgruppe) .

Nachwort

Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Technologie Verbesserungen erfordert. Hauptsächlich aufgrund von Kompatibilitätsproblemen mit verschiedenen Geräteoptionen. Bei der Arbeit mit Mikrosuperkondensatoren sind die Architektur des Geräts, die Abmessungen der Elektroden und der Abstand zwischen ihnen von großer Bedeutung. Dementsprechend ist selbst das Aufbringen von textilem MSC auf die Basis, dh das Aufnähen, ein sehr mühsamer Prozess, der eine unglaubliche Genauigkeit erfordert. Geringe Abweichungen im "Muster" können zur Inoperabilität des gesamten Geräts führen. Dies sind jedoch Probleme, die immer in der einen oder anderen Form auftreten, wenn etwas Neues und Einzigartiges geschaffen wird. Sie sollten nicht der Grund für Wissenschaftler sein zu sagen: "Nun, er, es ist besser, die Gottesanbeterin mit dem Tintenfisch zu überqueren." Die MSC-Textiltechnologie hat ein enormes Potenzial. Und es ist sehr angenehm, dass die Wissenschaftler selbst ihre Aufmerksamkeit nicht auf Smartphones und iPods (übertrieben) richten, sondern auf viel wichtigere tragbare Geräte - medizinische. Ja, jetzt gibt es zum Beispiel Armbänder zur Überwachung der Herzfrequenz. Sie sind kompakt und komfortabel. Aber lohnt es sich, dort anzuhalten? Ich denke nicht anders, wir würden immer noch mit Handys fahren, die eine größere Antenne haben als ich in meinem Landhaus für den Fernseher. Der Perfektion sind keine Grenzen gesetzt. Und wenn Wissenschaftler etwas schaffen wollen, das den Menschen und ihrer Gesundheit zugute kommt, sollte es zumindest respektiert werden.



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