"Baterías" portátiles: microcondensadores textiles basados ​​en PEDOT-Cl

Donde quiera que mire, de una forma u otra mirará algo que requiere energía: desde teléfonos móviles hasta dispositivos médicos portátiles mucho más importantes. Decenas, si no más, de grupos de investigación en todo el mundo están haciendo una lluvia de ideas en busca de nuevos métodos para generar y almacenar energía. Alguien se enfoca en el plástico, alguien en el papel, y alguien incluso sugiere usar bacterias que están en el estado de "bella durmiente" hasta que necesite recargar el teléfono. Los héroes de hoy decidieron adoptar un enfoque más literal del concepto de "portadores de energía ponibles". ¿Qué nos ponemos casi siempre? Por supuesto, ropa. Es posible y no tan difícil introducir algún tipo de "batería" como parece. ¿Pero no es más genial hacer que la tela en sí misma sea un portador de energía? Solo imagina estos diálogos del futuro: "Cariño, ¿dónde está la carga de mi camiseta?" o "Te devolveré la llamada, de lo contrario mis jeans pronto se agotarán". Bueno, está bien, pasemos de bromas simples a la esencia del estudio. ¿Cómo crearon los científicos ropa "enérgica", qué tan efectivas son sus creaciones y cuáles son las perspectivas? Nos sumergimos en el informe de los investigadores en busca de respuestas. Vamos

Base de estudio

Los científicos señalan que para crear dispositivos de monitorización de salud (u otros dispositivos personales) compactos, efectivos y prácticos, compactos y completos, las baterías no estándar son un elemento extremadamente importante. Los candidatos excelentes para este puesto son los MSC (micro-supercondensadores), que, a diferencia de los supercondensadores clásicos * , pueden ser extremadamente pequeños, lo cual es una buena noticia.

Supercapacitor * es un dispositivo de almacenamiento de carga electroquímica con un electrolito orgánico / inorgánico y una doble capa eléctrica entre el electrodo y el electrolito.

Por supuesto, la desventaja más pegadiza de tales baterías es su precio, que muerde bastante. Sin embargo, los científicos argumentan que disminuirá con el desarrollo de la tecnología y el uso de materiales más económicos y la expansión de la producción en masa. Por el momento, se presta mucha atención a MSC en papel o plástico. Pero los textiles no tienen tanta popularidad entre los investigadores. La principal dificultad radica en la fabricación de electrodos de fibra electroquímica que se utilizarían para crear el MSC. Sin embargo, para detenerse debido al hecho de que la tarea es difícil, los héroes de hoy no van a hacerlo.

Los investigadores señalan dos indicadores importantes que los supercondensadores portátiles deben tener: alta densidad de energía y resistencia mecánica. ¿Pero qué material usar? Hay muchas opciones: grafeno, polímeros conjugados, MXene, nanotubos de carbono, etc. La introducción de materiales electroquímicamente activos con alta conductividad eléctrica en textiles no es una tarea fácil. El níquel y el óxido de grafeno reducido, que fueron incrustados en textiles preparados previamente para la implementación de MSC textil, han demostrado ser buenos en esto. Pero esta opción todavía no tiene una densidad de energía suficiente para un uso práctico.


Estructura química de PEDOT-Cl.

En este mismo estudio, los científicos decidieron usar un material aún más "exótico": PEDOT-Cl. Otro nombre (para los fanáticos del calentamiento de la articulación) es poli de tipo p (3,4-etilendioxitiofeno) * .

Un semiconductor de tipo p * es un semiconductor en el que los orificios son el portador de carga principal. Se obtiene por dopaje con aceptadores de semiconductores propios.

El recubrimiento de PEDOT-Cl, aplicado al sustrato por deposición al vacío, demuestra un alto grado de conductividad eléctrica en textiles y propiedades electroquímicas bastante estables. Por lo tanto, los científicos pudieron crear un micro supercondensador textil con una alta densidad de energía, cuya base es un sustrato textil elástico e hilos conductores con pulverización PEDOT-Cl.

Ahora profundizamos un poco más en busca de los detalles de esta creación única.

Preparación de la base del material.

Para empezar, era necesario aplicar películas PEDOT-Cl tipo p sobre una base de acero inoxidable. El monómero era 3,4-etilendioxitiofeno (EDOT), y FeCl3, hierro (III), sirvió como agente oxidante. Después de calentar el EDOT a 90 ° C, el monómero se colocó en una cámara que contenía argón usando una válvula de aguja Swagelok SS-4JB, abierta un cuarto de vuelta.


Imagen esquemática de la cámara.

La presión en la cámara era de 300 ± 10 mTorr, y la temperatura era de 120 ° C. Estos parámetros se mantuvieron durante todo el procedimiento de deposición de película sobre el sustrato. El espesor de la película aplicada y la velocidad de deposición (2 mm / s) se controlaron mediante la velocidad de evaporación del agente oxidante de FeCl3, que se midió utilizando microbalanzas de cuarzo ubicadas dentro de la cámara. Al recibir el espesor de película deseado, se detuvo el proceso de aplicación, pero la cámara permaneció hermética hasta que la temperatura cayó a 60 grados. Para la purificación, la película resultante se colocó en metanol durante 15 minutos.


Apariencia del hilo antes y después de aplicar PEDOT-Cl.

Para crear un MSC de estado sólido completo, se usó un electrolito de gel de polímero hecho introduciendo lentamente 1 gramo de alcohol polivinílico en 10 gramos de una solución de H2SO4. La mezcla se calentó luego a 90ºC y se agitó durante 2 horas. A continuación, la mezcla resultante se aplicó a los electrodos y se secó.

Resultados de la investigación


Imágenes SEM de filamentos antes y después de aplicar PEDOT-Cl y espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (fila inferior).

En uno, por así decirlo, enfoque, puede hacer unos 32 pies (9.7536 m) de hilos. Según los científicos, el principal problema para obtener tanta densidad de alta energía necesaria es la mala adherencia (adhesión) del material electrónico o la morfología no optimizada de las películas gruesas, lo que hace que el proceso de transferencia de iones sea extremadamente difícil. De hecho, cuanto más grueso sea el hilo, mejor, pero si se excede, solo empeorará.

En este estudio, el método de aplicación en sí, la deposición al vacío, ayudó a resolver este problema. El uso de acero inoxidable como base también fue una ventaja, ya que este material, debido a su estructura (ver las imágenes de arriba), tiene más área de adhesión con la película PEDOT-Cl.



Las imágenes de arriba muestran los resultados de voltammogramas cíclicos obtenidos mediante el uso de una celda electrolítica de tres electrodos en 0.5 M Na ₂ SO ₄ o 0.5 MH ₂ SO ₄ . Se usó un hilo con un revestimiento PEDOT-Cl de 1 cm de largo como electrodo de trabajo. Electrodos auxiliares: platino como electrodo indicador y cloruro de plata (Ag / AgCl) como electrodo de referencia.

Al escanear (5 mV / s) en Na ₂ SO ₄ , se logra una capacitancia eléctrica de 15 mF / cm (milifaradios por centímetro), y en H ₂ SO ₄ - 12 mF / cm. Los científicos consideran que la influencia de la exploración en sí misma en los indicadores es insignificante. Entonces, a una velocidad de exploración de 100 mV / s, el rendimiento cae en ambos electrolitos al nivel de 8.5 mF / cm.



Aquí vemos el proceso de creación de MSC textiles (imagen arriba de a ). Un punto muy importante es minimizar la distancia entre los pines del electrodo (llamémosles así, porque en el estudio se les llama "dedos de electrodo"). Esto es necesario para su uso en los dispositivos más pequeños, para reducir la longitud de la conductividad iónica y para aumentar la posible cantidad de carga almacenada. El problema para minimizar esta distancia es que las fibras son bastante "esponjosas". Es decir, el hilo de acero inoxidable no es liso. Pequeñas fibras en los hilos sobresalen en diferentes direcciones y tocan las adyacentes, lo que provoca cortocircuitos. ¿Cómo resolver este problema es simple pero efectivo? Use textiles elásticos, por supuesto. Primero, el tejido es "apretado" y cosido por MSC, después de lo cual se quitan los sujetadores y el tejido entra en su estado natural. Incluso las puntadas del material (tela) se han beneficiado, sirviendo como una especie de "ojo". La distancia entre los seis electrodos es siempre la misma: 2 puntos. Cada uno de los electrodos tiene 2 hilos recubiertos con PEDOT-Cl y entrelazados para formar una sola unidad. La longitud de los electrodos es de 5 mm, el ancho es de 0.6 mm y la altura es de 1.2 mm. Las dimensiones tampoco son aleatorias, ya que tienen una gran influencia en el índice general de densidad de energía.

Después de coser los electrodos sobre el tejido comprimido, se les aplica un electrolito de gel de PVA / H2SO4. Hasta que se endurezca, la tela base se nivela, proporcionando así otra barrera adicional entre los electrodos para que no se produzcan cortocircuitos.

Los gráficos debajo de las imágenes MSC muestran voltammogramas de MSC textiles con electrolito ( s ) de gel de PVA / H2SO4 y electrolito EMIMBF4 (nombre completo: tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazolio) ( d ).

A una velocidad de exploración de 2 mV / s, la capacitancia MSC con PVA / H ₂ SO ₄ es 80 mF / cm ² . Si la velocidad aumenta a 5 mV / s - 60 mF / cm ² . Y a unos increíbles 300 mV / s, el indicador de capacitancia, aunque cae a 26, permanece estable.

El MSC con electrolito EMIMBF4 al escanear a 5 mV / s mostró un resultado ligeramente inferior: 50 mF / cm ² .


Comprobación de la resistencia de la muestra a la tensión mecánica ( a , b ). Resistencia ( s ) electroquímica ( s ). Comparación del MSC más avanzado disponible actualmente y el MSC probado en este estudio ( d ).

Ahora debe comprender cuán resistente, por así decirlo, es MSC y cómo los científicos probaron este parámetro.

Las mediciones de carga / descarga galvanostática se llevaron a cabo cuando la muestra se dobló en un ángulo de 90 ° o 180 °. La muestra también fue retorcida y enrollada. En otras palabras, los científicos se burlaron de él lo mejor que pudieron, y esto está bastante justificado, porque quién necesita, por ejemplo, una camiseta con estos MSC, que no se puede usar ni poner en una maleta. Los indicadores de carga / descarga resultaron ser exactamente los mismos que para la muestra en un estado tranquilo (sin impacto mecánico).

El gráfico c muestra la resistencia electroquímica del MSC con electrolito de gel PVA / H ₂ SO ₄ . Después de 4000 ciclos, la muestra retuvo el 71% de su estado electroquímico inicial (capacidad). Después de 12 horas en un estado tranquilo, el índice de capacidad de muestra se restableció al 93%. Los científicos repitieron la prueba con el mismo número de ciclos, y los resultados fueron los mismos (71%, luego de 12 horas - 93%). Si crees que los científicos revisaron todo 1 vez, entonces estás equivocado. Esta prueba se realizó en 12 dispositivos diferentes 3 veces. Y todos los resultados fueron casi idénticos.

Los científicos han comparado el MSC ya desarrollado y su creación. Su versión del textil MSC tiene una densidad de energía de un orden de magnitud mayor que la de los precursores flexibles de papel o plástico. Textil MSC tiene una densidad de 0.1 mW⋅h / g.


Camiseta lisa con un "logotipo" inusual de MSC.

Para un conocimiento detallado del estudio, le recomiendo que mire aquí (informe del grupo de investigación) .

Epílogo

Los científicos señalan que su tecnología requiere mejoras. Principalmente debido a problemas de compatibilidad con diferentes opciones de dispositivo. Cuando se trabaja con micro-supercondensadores, la arquitectura del dispositivo, las dimensiones de los electrodos y la distancia entre ellos son de gran importancia. En consecuencia, incluso aplicar MSC textil a la base, es decir, coser uno al otro, es un proceso muy laborioso que requiere una precisión increíble. Pequeñas desviaciones en el "patrón" pueden conducir a la inoperancia de todo el dispositivo. Pero estos son problemas que siempre surgen de una forma u otra en el proceso de crear algo nuevo y único. No deberían ser la razón para que los científicos digan: "Bueno, él, es mejor cruzar la mantis con el pulpo". La tecnología textil de MSC tiene un enorme potencial. Y es muy agradable que los propios científicos centren su atención no en los teléfonos inteligentes y los iPod (hablando exageradamente), sino en dispositivos portátiles mucho más importantes: los médicos. Sí, ahora hay, por ejemplo, pulseras para controlar la frecuencia cardíaca. Son compactos y cómodos. ¿Pero vale la pena detenerse allí? No creo lo contrario, todavía iríamos con los teléfonos celulares, que tienen una antena más grande que la que tengo en mi casa de campo para la televisión. No hay límite para la perfección. Y si los científicos quieren crear algo que beneficie a las personas y su salud, al menos debería respetarse.



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