«Batteries» portables: micro-supercondensateurs textiles à base de PEDOT-Cl

Où que vous regardiez, d'une manière ou d'une autre, vous regarderez quelque chose qui nécessite de l'énergie: des téléphones portables aux appareils médicaux portables beaucoup plus importants. Des dizaines, sinon plus, de groupes de recherche à travers le monde réfléchissent à la recherche de nouvelles méthodes pour générer et stocker de l'énergie. Quelqu'un se concentre sur le plastique, quelqu'un sur le papier et quelqu'un suggère même d'utiliser des bactéries qui sont dans la «beauté endormie» jusqu'à ce que vous ayez besoin de recharger le téléphone. Les héros de nos jours ont décidé d'adopter une approche plus littérale du concept de «porteurs d'énergie portables». Que portons-nous presque toujours? Bien sûr, des vêtements. Il est possible et pas si difficile d'y introduire une sorte de «batterie» qu'il n'y paraît. Mais n'est-il pas plus cool de faire du tissu lui-même un vecteur d'énergie? Imaginez ces dialogues du futur: "Chérie, où est la charge de mon T-shirt?" ou "Je vous rappelle, sinon mon jean va bientôt s'épuiser." Eh bien, d'accord, passons des blagues plates à l'essence de l'étude. Comment les scientifiques ont-ils créé des vêtements «énergiques», quelle est leur efficacité et quelles sont les perspectives? Nous plongons dans le rapport des chercheurs à la recherche de réponses. Allons-y.

Base d'étude

Les scientifiques notent que pour créer des appareils de surveillance de la santé complets, efficaces et pratiques, compacts et portables (ou d'autres appareils personnels), les batteries non standard sont un élément extrêmement important. Les excellents candidats pour ce poste sont les MSC (micro-supercondensateurs) qui, contrairement aux supercondensateurs classiques * , peuvent être extrêmement petits, ce qui est une bonne nouvelle.

Le supercondensateur * est un dispositif de stockage de charges électrochimiques avec un électrolyte organique / inorganique et une double couche électrique entre l'électrode et l'électrolyte.

Bien sûr, le moins le plus accrocheur de ces batteries est leur prix, qui mord à peu près. Cependant, les scientifiques affirment qu'elle diminuera avec le développement de la technologie et grâce à l'utilisation de matériaux plus économiques et à l'expansion de la production de masse. À l'heure actuelle, une grande attention est accordée au MSC sur papier ou en plastique. Mais les textiles n'ont pas une telle popularité auprès des chercheurs. La principale difficulté réside dans la fabrication d'électrodes à fibres électrochimiques qui seraient utilisées pour créer le MSC. Cependant, pour arrêter en raison du fait que la tâche est difficile, les héros de nos aujourd'hui ne le feront pas.

Les chercheurs notent deux indicateurs importants que les supercondensateurs portables devraient avoir: une densité d'énergie élevée et une résistance mécanique. Mais quel matériel utiliser? Il existe de nombreuses options: graphène, polymères conjugués, MXene, nanotubes de carbone, etc. L'introduction de matériaux électrochimiquement actifs à haute conductivité électrique dans les textiles n'est pas une tâche facile. Le nickel et l'oxyde de graphène réduit, qui étaient incorporés dans des textiles pré-préparés pour la mise en œuvre du textile MSC, ont fait leurs preuves dans ce domaine. Mais cette option n'a toujours pas une densité d'énergie suffisante pour une utilisation pratique.


Structure chimique de PEDOT-Cl.

Dans cette même étude, les scientifiques ont décidé d'utiliser un matériau encore plus «exotique» - PEDOT-Cl. Un autre nom (pour les amateurs d'articulation d'échauffement) est le poly (3,4-éthylènedioxythiophène) de type p * .

Un semi - conducteur de type p * est un semi-conducteur dans lequel les trous sont le principal porteur de charge. Il est obtenu par dopage avec des accepteurs de semi-conducteurs propres.

Le revêtement de PEDOT-Cl, appliqué au substrat par dépôt sous vide, démontre un haut degré de conductivité électrique sur les textiles et des propriétés électrochimiques assez stables. Ainsi, les scientifiques ont pu créer un micro-supercondensateur textile à haute densité d'énergie, dont la base est un substrat textile élastique et des fils conducteurs avec projection PEDOT-Cl.

Maintenant, nous creusons un peu plus à la recherche des détails de cette création unique.

Préparation de la base du matériau

Pour commencer, il était nécessaire d'appliquer des films de type P PEDOT-Cl sur une base en acier inoxydable. Le monomère était le 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT) et FeCl ₃ , fer (III), servait d'agent oxydant. Après avoir chauffé l'EDOT à 90 ° C, le monomère a été placé dans une chambre contenant de l'argon en utilisant une vanne à pointeau Swagelok SS-4JB, ouverte d'un quart de tour.


Image schématique de la caméra.

La pression dans la chambre était de 300 ± 10 mTorr, et la température était de 120 ° C. Ces paramètres ont été maintenus tout au long de la procédure de dépôt de film sur le substrat. L'épaisseur du film appliqué et la vitesse de dépôt (2 mm / s) ont été contrôlées par la vitesse d'évaporation de l'agent oxydant FeCl3, qui a été mesurée à l'aide de microbalances à quartz situées à l'intérieur de la chambre. À la réception de l'épaisseur de film souhaitée, le processus d'application a été arrêté, mais la chambre est restée étanche jusqu'à ce que la température tombe à 60 degrés. Pour la purification, le film résultant a été placé dans du méthanol pendant 15 minutes.


Apparence du fil avant et après l'application de PEDOT-Cl.

Pour créer un MSC à l'état solide à part entière, un électrolyte en gel de polymère fabriqué en introduisant lentement 1 gramme d'alcool polyvinylique dans 10 grammes d'une solution de H ₂ SO _{4 a} été utilisé. Le mélange a ensuite été chauffé à 90 ° C et agité pendant 2 heures. Ensuite, le mélange résultant a été appliqué aux électrodes et séché.

Résultats de recherche


Images MEB de filaments avant et après application de PEDOT-Cl et spectroscopie aux rayons X à dispersion d'énergie (rangée du bas).

Dans une approche, pour ainsi dire, vous pouvez faire environ 9,7536 m (32 pieds) de fils. Selon les scientifiques, le principal problème pour obtenir une densité d'énergie élevée si nécessaire est la mauvaise adhérence (adhérence) du matériel électronique ou la morphologie non optimisée des films épais, ce qui rend le processus de transfert d'ions extrêmement difficile. En fait, plus le fil est épais, mieux c'est, mais si vous en faites trop, cela ne fera qu'empirer.

Dans cette étude, la méthode d'application elle-même, le dépôt sous vide, a permis de résoudre ce problème. L'utilisation de l'acier inoxydable comme base était également un plus, car ce matériau, en raison de sa structure (regardez les photos ci-dessus), a plus de surface pour l'adhérence avec le film PEDOT-Cl.



Les images ci-dessus montrent les résultats de voltammogrammes cycliques obtenus en utilisant une cellule électrolytique à trois électrodes dans 0,5 M Na ₂ SO ₄ ou 0,5 MH ₂ SO ₄ . Un fil avec un revêtement PEDOT-Cl de 1 cm de long a été utilisé comme électrode de travail Electrodes auxiliaires: platine comme électrode indicatrice et chlorure d'argent (Ag / AgCl) comme électrode de référence.

Lors du balayage (5 mV / s) dans Na ₂ SO ₄ , une capacité électrique de 15 mF / cm (millifarad par centimètre) est atteinte, et dans H ₂ SO ₄ - 12 mF / cm. Les scientifiques considèrent que l'influence de l'analyse elle-même sur les indicateurs est insignifiante. Ainsi, à une vitesse de balayage de 100 mV / s, les performances chutent dans les deux électrolytes au niveau de 8,5 mF / cm.



Nous voyons ici le processus de création de MSC textiles (image ci - dessus a ). Un point très important est de minimiser la distance entre les broches d'électrode (appelons-les ainsi, car dans l'étude, ils sont appelés «doigts d'électrode»). Ceci est nécessaire pour une utilisation dans les plus petits appareils, pour réduire la longueur de la conductivité ionique et pour augmenter la quantité possible de charge stockée. Le problème pour minimiser cette distance est que les fibres sont assez "pelucheuses". Autrement dit, le filetage en acier inoxydable n'est pas lisse. Les petites fibres sur les fils dépassent dans des directions différentes et touchent les fibres adjacentes, ce qui provoque des courts-circuits. Comment résoudre ce problème est simple mais efficace? Utilisez du textile extensible, bien sûr. Tout d'abord, le tissu est «pressé» et cousu par MSC, après quoi les attaches sont retirées et le tissu retourne à son état naturel. Même les points de suture de la matière (tissu) en ont profité, faisant office de "œil". La distance entre les six électrodes est toujours la même - 2 points. Chacune des électrodes est constituée de 2 brins enduits de PEDOT-Cl et entrelacés pour former une seule unité. La longueur des électrodes est de 5 mm, la largeur est de 0,6 mm et la hauteur est de 1,2 mm. Les dimensions ne sont pas non plus aléatoires, car elles ont une grande influence sur l'indice global de densité d'énergie.

Une fois les électrodes cousues sur le tissu comprimé, un électrolyte en gel PVA / H ₂ SO _{4 leur} est appliqué. Jusqu'à ce qu'il durcisse, le tissu de base est nivelé, fournissant ainsi une autre barrière supplémentaire entre les électrodes afin qu'aucun court-circuit ne se produise.

Les graphiques sous les images MSC montrent des voltammogrammes de MSC textiles avec un ou des électrolytes en gel PVA / H ₂ SO ₄ et un électrolyte EMIMBF4 (nom complet: tétrafluoroborate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium) ( d ).

À une vitesse de balayage de 2 mV / s, la capacité MSC avec PVA / H ₂ SO ₄ est de 80 mF / cm ² . Si la vitesse est augmentée à 5 mV / s - 60 mF / cm ² . Et à une incroyable 300 mV / s, l'indicateur de capacité, bien qu'il tombe à 26, reste stable.

MSC avec électrolyte EMIMBF4 lors de la numérisation à 5 mV / s a ​​montré un résultat légèrement inférieur - 50 mF / cm ² .


Vérification de la résistance de l'échantillon aux contraintes mécaniques ( a , b ). Résistance ( s ) électrochimique ( s ). Comparaison des MSC les plus avancés actuellement disponibles et des MSC testés dans cette étude ( d ).

Maintenant, vous devez comprendre à quel point le MSC est robuste, pour ainsi dire, et comment les scientifiques ont testé ce paramètre.

Des mesures de charge / décharge galvanostatiques ont été effectuées lorsque l'échantillon était courbé à un angle de 90 ° ou 180 °. L'échantillon a également été tordu et enroulé. En d'autres termes, les scientifiques se moquaient de lui du mieux qu'ils pouvaient, et cela est tout à fait justifié, car qui a besoin, par exemple, d'un T-shirt avec ces MSC, qui ne peut ni être porté ni mis dans une valise. Les indicateurs de charge / décharge se sont avérés être exactement les mêmes que pour l'échantillon dans un état calme (sans impact mécanique sur lui).

Le graphique c montre la résistance électrochimique du MSC avec un électrolyte en gel PVA / H ₂ SO ₄ . Après 4000 cycles, l'échantillon a conservé 71% de son état électrochimique initial (capacité). Après 12 heures dans un état calme, l'indice de capacité d'échantillonnage a été rétabli à 93%. Les scientifiques ont répété le test avec le même nombre de cycles, et les résultats étaient les mêmes (71%, puis après 12 heures - 93%). Si vous pensez que les scientifiques ont tout vérifié 1 fois, vous vous trompez. Ce test a été effectué sur 12 appareils différents 3 fois. Et tous les résultats étaient presque identiques.

Les scientifiques ont comparé le MSC déjà développé et leur création. Leur version de textile MSC a une densité d'énergie d'un ordre de grandeur supérieure à celle des précurseurs de papier souple ou plastique. Le textile MSC a une densité de 0,1 mW⋅h / g.


T-shirt uni avec un "logo" inhabituel de MSC.

Pour une connaissance détaillée de l'étude, je vous recommande de regarder ici (rapport du groupe de recherche) .

Épilogue

Les scientifiques notent que leur technologie nécessite des améliorations. Principalement en raison de problèmes de compatibilité avec différentes options de périphérique. Lorsque vous travaillez avec des micro-supercondensateurs, l'architecture de l'appareil, les dimensions des électrodes et la distance entre elles sont d'une grande importance. En conséquence, même l'application de textile MSC à la base, c'est-à-dire de coudre les uns aux autres, est un processus très minutieux nécessitant une précision incroyable. De légères déviations dans le "motif" peuvent entraîner une inopérabilité de l'ensemble de l'appareil. Mais ce sont des problèmes qui se posent toujours sous une forme ou une autre dans le processus de création de quelque chose de nouveau et d'unique. Ils ne devraient pas être la raison pour laquelle les scientifiques disent: "Eh bien, lui, il vaut mieux traverser la mante avec la pieuvre." La technologie textile MSC a un énorme potentiel. Et il est très agréable que les scientifiques eux-mêmes concentrent leur attention non pas sur les smartphones et les iPod (parler de façon exagérée), mais sur des appareils portables beaucoup plus importants - les appareils médicaux. Oui, il existe maintenant, par exemple, des bracelets pour surveiller la fréquence cardiaque. Ils sont compacts et confortables. Mais ça vaut le coup de s'arrêter là? Je ne pense pas autrement, nous irions toujours avec des téléphones portables, qui ont une antenne plus grande que celle que j'ai dans ma maison de campagne pour la télévision. Il n'y a pas de limite à la perfection. Et si les scientifiques veulent créer quelque chose qui profitera aux gens et à leur santé, cela devrait au moins être respecté.



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