पहनने योग्य "बैटरी": PEDOT-Cl पर आधारित कपड़ा माइक्रो-सुपरकैपेसिटर

जहां भी आप देखते हैं, एक रास्ता या कोई अन्य चीज आपको ऊर्जा की आवश्यकता होती है: मोबाइल फोन से बहुत अधिक पहनने योग्य चिकित्सा उपकरणों तक। दर्जनों, यदि अधिक नहीं, तो दुनिया भर के अनुसंधान समूहों में ऊर्जा पैदा करने और भंडारण के लिए नए तरीकों की खोज में दिमाग लगाया जाता है। किसी ने प्लास्टिक पर ध्यान दिया, किसी ने कागज पर, और किसी ने बैक्टीरिया का उपयोग करने का सुझाव दिया जो "नींद की सुंदरता" स्थिति में है जब तक आपको फोन को रिचार्ज करने की आवश्यकता नहीं है। हमारे आज के नायकों ने "पहनने योग्य ऊर्जा वाहक" की अवधारणा के लिए अधिक शाब्दिक दृष्टिकोण लेने का फैसला किया। हम लगभग हमेशा क्या पहनते हैं? बेशक, कपड़े। ऐसा लगता है कि यह किसी भी तरह की "बैटरी" को पेश करना संभव नहीं है। लेकिन क्या यह कपड़े को स्वयं एक ऊर्जा वाहक बनाने के लिए ठंडा नहीं है? भविष्य के इन संवादों की कल्पना करें: "हनी, मेरी टी-शर्ट का शुल्क कहां है?" या "मैं आपको वापस बुलाऊंगा, अन्यथा मेरी जीन्स जल्द ही समाप्त हो जाएगी।" ठीक है, ठीक है, चलो फ्लैट चुटकुले से अध्ययन के सार की ओर मुड़ें। वैज्ञानिकों ने "ऊर्जावान" कपड़े कैसे बनाए, उनकी रचना कितनी प्रभावी है और क्या संभावनाएं हैं? हम जवाबों की तलाश में शोधकर्ताओं की रिपोर्ट में गोता लगाते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

वैज्ञानिक ध्यान दें कि पूर्ण, प्रभावी और व्यावहारिक कॉम्पैक्ट, पोर्टेबल स्वास्थ्य निगरानी उपकरण (या अन्य व्यक्तिगत उपकरण) बनाने के लिए, गैर-मानक बैटरी एक अत्यंत महत्वपूर्ण तत्व हैं। इस पद के लिए उत्कृष्ट उम्मीदवार MSC (माइक्रो-सुपरकैपेसिटर) हैं, जो क्लासिक सुपरकैपेसिटर * के विपरीत, बेहद छोटा हो सकता है, जो अच्छी खबर है।

सुपरकैपेसिटर * एक इलेक्ट्रोकेमिकल चार्ज स्टोरेज डिवाइस है जिसमें ऑर्गेनिक / इनऑर्गेनिक इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच एक डबल इलेक्ट्रिक लेयर होता है।

बेशक, ऐसी बैटरी का सबसे आकर्षक ऋण उनकी कीमत है, जो बहुत अधिक काटता है। हालांकि, वैज्ञानिकों का तर्क है कि यह प्रौद्योगिकी के विकास और अधिक किफायती सामग्रियों के उपयोग और बड़े पैमाने पर उत्पादन के विस्तार के साथ घटेगा। फिलहाल, कागज या प्लास्टिक के आधार पर एमएससी पर बहुत ध्यान दिया जाता है। लेकिन शोधकर्ताओं के बीच वस्त्रों की इतनी लोकप्रियता नहीं है। मुख्य कठिनाई विद्युत रासायनिक इलेक्ट्रोड के निर्माण में निहित है जिसका उपयोग एमएससी बनाने के लिए किया जाएगा। हालांकि, इस तथ्य के कारण बंद करना कि कार्य कठिन है, हमारे आज के नायक नहीं जा रहे हैं।

शोधकर्ताओं ने दो महत्वपूर्ण संकेतक नोट किए जो पहनने योग्य सुपरकैपेसिटर के पास होने चाहिए: उच्च ऊर्जा घनत्व और यांत्रिक प्रतिरोध। लेकिन क्या सामग्री का उपयोग करने के लिए? कई विकल्प हैं: ग्राफीन, संयुग्मित पॉलिमर, एमएक्सईएन, कार्बन नैनोट्यूब, आदि। वस्त्रों में उच्च विद्युत चालकता के साथ विद्युत रूप से सक्रिय सामग्रियों का परिचय एक आसान काम नहीं है। टेक्सटाइल MSC के कार्यान्वयन के लिए पहले से तैयार वस्त्रों में एम्बेडेड निकेल और कम ग्राफीन ऑक्साइड ने इसमें खुद को अच्छी तरह साबित किया है। लेकिन इस विकल्प में अभी भी व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त ऊर्जा घनत्व नहीं है।


PEDOT-Cl की रासायनिक संरचना।

इसी अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने एक और भी अधिक "विदेशी" सामग्री - PEDOT-Cl का उपयोग करने का निर्णय लिया। एक अन्य नाम (आर्टिक्यूलेशन को गर्म करने के प्रशंसकों के लिए) पी-टाइप पॉली (3,4-एथिलिऑनॉइडाइथियोफेन) * है ।

एक पी-टाइप सेमीकंडक्टर * एक अर्धचालक है जिसमें छेद मुख्य चार्ज वाहक हैं। यह स्वयं अर्धचालक के स्वीकारकर्ताओं के साथ डोपिंग द्वारा प्राप्त किया जाता है।

वैक्यूम डिपो द्वारा सब्सट्रेट पर लगाए गए PEDOT-Cl की कोटिंग, वस्त्रों पर उच्च विद्युत चालकता और काफी स्थिर विद्युत रासायनिक गुणों को प्रदर्शित करती है। इस प्रकार, वैज्ञानिक एक उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ एक कपड़ा माइक्रो-सुपरकैपेसिटर बनाने में सक्षम थे, जिसका आधार PEDOT-Cl छिड़काव के साथ एक लोचदार कपड़ा सब्सट्रेट और प्रवाहकीय धागे हैं।

अब हम इस अनूठी रचना के विवरण की तलाश में थोड़ा गहरा खुदाई करते हैं।

सामग्री आधार तैयार करना

शुरुआत के लिए, स्टेनलेस स्टील के आधार पर पेडॉट-सी पी-टाइप फिल्में लागू करना आवश्यक था। मोनोमर 3,4-एथिलीनऑक्सीथायथियोफेन (EDOT), और FeCl ₃ , लोहा (III), ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में कार्य करता था। EDOT को 90 ° C तक गर्म करने के बाद, स्वैगेलोक SS-4JB सुई वाल्व का उपयोग करके एक आर्गन युक्त चैंबर में मोनोमर को रखा गया था, एक चौथाई मोड़।


कैमरे की योजनाबद्ध छवि।

कक्ष में दबाव 300 the 10 mTorr था, और तापमान 120 ° C था। इन मापदंडों को सब्सट्रेट पर पूरी फिल्म बयान प्रक्रिया के दौरान बनाए रखा गया था। लागू फिल्म की मोटाई और जमाव दर (2 मिमी / एस) को FeCl3 ऑक्सीकरण एजेंट के वाष्पीकरण दर से नियंत्रित किया गया था, जिसे कक्ष के अंदर स्थित क्वार्ट्ज माइक्रोब्लैंस का उपयोग करके मापा गया था। वांछित फिल्म मोटाई प्राप्त होने पर, आवेदन प्रक्रिया को रोक दिया गया था, लेकिन जब तक तापमान 60 डिग्री तक गिर नहीं गया तब तक चैम्बर वायुरोधी रहा। शुद्धिकरण के लिए, परिणामस्वरूप फिल्म को 15 मिनट के लिए मेथनॉल में रखा गया था।


पेडॉट-सीएल लगाने से पहले और बाद में धागे की उपस्थिति।

एक पूर्ण ठोस राज्य MSC बनाने के लिए, एक बहुलक जेल इलेक्ट्रोलाइट को धीरे-धीरे 1 ग्राम पॉलीविनाइल अल्कोहल को 10 ग्राम एच ₂ एसओ ₄ घोल में डालकर बनाया जाता था। मिश्रण को फिर 90 ° C तक गर्म किया गया और 2 घंटे तक हिलाया गया। अगला, परिणामी मिश्रण को इलेक्ट्रोड पर लागू किया गया और सूख गया।

अनुसंधान के परिणाम


PEDOT-Cl और ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (नीचे पंक्ति) को लागू करने से पहले और बाद में फिलामेंट्स की SEM छवियां।

एक में, बोलने के लिए, दृष्टिकोण, आप धागे के लगभग 32 फीट (9.7536 मीटर) बना सकते हैं। वैज्ञानिकों के अनुसार, इतनी आवश्यक उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त करने की मुख्य समस्या इलेक्ट्रॉनिक सामग्री का खराब आसंजन (आसंजन) है या मोटी फिल्मों का अनुकूलित आकारिकी नहीं है, जो आयन हस्तांतरण की प्रक्रिया को बहुत कठिन बनाता है। वास्तव में, थ्रेड जितना मोटा होगा, बेहतर होगा, लेकिन अगर आप इसे ज़्यादा करते हैं, तो यह केवल खराब हो जाएगा।

इस अध्ययन में, आवेदन विधि स्वयं, वैक्यूम बयान, ने इस समस्या को हल करने में मदद की। एक आधार के रूप में स्टेनलेस स्टील का उपयोग भी एक प्लस था, क्योंकि यह सामग्री, इसकी संरचना (ऊपर की तस्वीरों को देखें) के कारण, PEDOT-Cl फिल्म के साथ आसंजन के लिए अधिक क्षेत्र है।



उपरोक्त चित्र 0.5 एम _{2 2} एसओ ₄ या 0.5 एमएच ₂ एसओ _{4 में} तीन-इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइटिक सेल का उपयोग करके प्राप्त किए गए चक्रीय वोल्टमोग्राम के परिणाम दिखाते हैं। PEDOT-Cl कोटिंग के साथ 1 सेमी लंबा एक धागा एक काम करने वाले इलेक्ट्रोड के रूप में इस्तेमाल किया गया था। सहायक इलेक्ट्रोड: एक संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में एक संकेतक इलेक्ट्रोड और चांदी क्लोराइड (Ag / AgCl) के रूप में प्लैटिनम।

Na ₂ SO ₄ में स्कैनिंग (5 mV / s), जब 15 mF / cm (मिलिफ़ारड सेंटीमीटर) का एक विद्युत समाई प्राप्त किया जाता है, और H ₂ SO ₄ - 12 mF / cm में। वैज्ञानिक संकेतक पर स्कैन के प्रभाव को नगण्य मानते हैं। तो, 100 mV / s की स्कैनिंग गति पर, प्रदर्शन इलेक्ट्रोलाइट्स में 8.5 mF / सेमी के स्तर तक गिर जाता है।



यहां हम कपड़ा MSCs (ऊपर की छवि) बनाने की प्रक्रिया देखते हैं। एक बहुत महत्वपूर्ण बिंदु इलेक्ट्रोड पिन के बीच की दूरी को कम करना है (चलो उन्हें कॉल करें, क्योंकि अध्ययन में उन्हें "इलेक्ट्रोड उंगलियां" कहा जाता है)। यह सबसे छोटे उपकरणों में उपयोग के लिए आवश्यक है, आयनिक चालकता की लंबाई को कम करने और संग्रहीत चार्ज की संभावित मात्रा को बढ़ाने के लिए। इस दूरी को कम करने के लिए समस्या यह है कि फाइबर काफी "शराबी" हैं। यही है, स्टेनलेस स्टील का धागा चिकना नहीं है। थ्रेड्स पर छोटे फाइबर अलग-अलग दिशाओं में चिपकते हैं और आसन्न लोगों को छूते हैं, जिससे शॉर्ट सर्किट होता है। इस समस्या को हल करने के लिए कैसे सरल लेकिन प्रभावी है? स्ट्रेच टेक्सटाइल का उपयोग करें, अवश्य करें। सबसे पहले, कपड़े को "निचोड़ा जाता है" और एमएससी द्वारा सिलना, जिसके बाद फास्टनरों को हटा दिया जाता है, और कपड़े अपनी प्राकृतिक स्थिति में चला जाता है। यहां तक ​​कि सामग्री (कपड़े) के टांके को भी फायदा हुआ है, जो एक तरह की "आंख" है। छह इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी हमेशा समान होती है - 2 टांके। इलेक्ट्रोड में से प्रत्येक 2 किस्में PEDOT-Cl के साथ लेपित है और एक एकल इकाई बनाने के लिए intertwined है। इलेक्ट्रोड की लंबाई 5 मिमी है, चौड़ाई 0.6 मिमी है, और ऊंचाई 1.2 मिमी है। आयाम भी यादृच्छिक नहीं हैं, क्योंकि उनका समग्र ऊर्जा घनत्व सूचकांक पर काफी प्रभाव है।

इलेक्ट्रोड को संपीड़ित ऊतक पर सिलने के बाद, उन पर एक पीवीए / एच ₂ एसओ ₄ जेल इलेक्ट्रोलाइट लगाया जाता है। जब तक यह कठोर नहीं हो जाता, बेस फैब्रिक को समतल किया जाता है, इस प्रकार इलेक्ट्रोड के बीच एक और अतिरिक्त अवरोध प्रदान किया जाता है ताकि कोई शॉर्ट सर्किट न हो।

एमएससी छवियों के नीचे के ग्राफ़ पीवीए / एच ₂ एसओ ₄ जेल इलेक्ट्रोलाइट (ईएमआई) और ईएमआईएमबी 4 इलेक्ट्रोलाइट (पूर्ण नाम: 1-एथिल-3-मिथाइलिडाजोलियम टेट्रफ्लुओरोबोरेट) ( डी ) के साथ टेक्सटाइल एमएससी के वोल्टमैगमोग्राम दिखाते हैं।

2 mV / s की स्कैन गति पर, PVA / H ₂ SO _{4 के} साथ MSC समाई 80 mF / cm ^{2 है} । यदि गति बढ़ाकर 5 mV / s - 60 mF / cm ^{2 कर दी जाए} । और एक अविश्वसनीय 300 mV / s पर, कैपेसिटेंस इंडिकेटर, हालांकि यह 26 तक गिर जाता है, स्थिर रहता है।

5 mV / s पर स्कैन करते समय EMIMBF4 इलेक्ट्रोलाइट के साथ MSC ने थोड़ा कम परिणाम दिखाया - 50 mF / cm ² ।


यांत्रिक तनाव ( ए , बी ) के प्रतिरोध के लिए नमूने की जांच करना। विद्युत रासायनिक प्रतिरोध। वर्तमान में उपलब्ध सबसे उन्नत एमएससी की तुलना और इस अध्ययन में परीक्षण किया गया एमएससी ( डी )।

अब आपको यह समझने की आवश्यकता है कि कितना कठोर है, इसलिए बोलने के लिए, एमएससी है, और वैज्ञानिकों ने इस पैरामीटर का परीक्षण कैसे किया।

गैल्वनोस्टैटिक चार्ज / डिस्चार्ज माप तब किए गए थे जब नमूना 90 ° या 180 ° के कोण पर मुड़ा हुआ था। नमूना भी मुड़ गया था और लुढ़का हुआ था। दूसरे शब्दों में, वैज्ञानिकों ने उन्हें सर्वश्रेष्ठ के रूप में उपहास किया, और यह काफी उचित है, क्योंकि जिन्हें इन MSCs के साथ टी-शर्ट की आवश्यकता होती है, वे कहते हैं, जिन्हें न तो पहना जा सकता है और न ही सूटकेस में रखा जा सकता है। चार्ज / डिस्चार्ज इंडिकेटर एक शांत स्थिति में नमूने के लिए बिल्कुल वैसा ही निकला (बिना इस पर यांत्रिक प्रभाव के)।

ग्राफ सी , पीवीए / एच ₂ एसओ ₄ जेल इलेक्ट्रोलाइट के साथ एमएससी के विद्युत प्रतिरोध को दर्शाता है। 4000 चक्रों के बाद, नमूना ने अपनी प्रारंभिक विद्युत अवस्था (क्षमता) का 71% बरकरार रखा। शांत स्थिति में 12 घंटे के बाद, नमूना क्षमता सूचकांक 93% पर बहाल किया गया था। वैज्ञानिकों ने एक ही चक्र के साथ परीक्षण दोहराया, और परिणाम समान थे (71%, फिर 12 घंटे के बाद - 93%)। अगर आपको लगता है कि वैज्ञानिकों ने 1 बार सब कुछ चेक किया, तो आप गलत हैं। यह परीक्षण 12 विभिन्न उपकरणों पर 3 बार आयोजित किया गया था। और सभी परिणाम लगभग समान थे।

वैज्ञानिकों ने पहले से विकसित MSC और उनके निर्माण की तुलना की है। टेक्सटाइल एमएससी के उनके संस्करण में एक ऊर्जा घनत्व है जो लचीले कागज या प्लास्टिक अग्रदूतों की तुलना में अधिक है। टेक्सटाइल MSC का घनत्व 0.1 mW⋅h / g है।


एमएससी से एक असामान्य "लोगो" के साथ सादे टी-शर्ट।

अध्ययन के साथ एक विस्तृत परिचय के लिए, मेरा सुझाव है कि आप यहां देखें (शोध समूह की रिपोर्ट) ।

उपसंहार

वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि उनकी तकनीक में सुधार की आवश्यकता है। अधिकतर विभिन्न डिवाइस विकल्पों के साथ संगतता समस्याओं के कारण। माइक्रो-सुपरकैपेसिटर के साथ काम करते समय, डिवाइस की वास्तुकला, इलेक्ट्रोड के आयाम और उनके बीच की दूरी का बहुत महत्व है। तदनुसार, यहां तक ​​कि टेक्सट MSC को आधार पर लागू करना, यानी एक से दूसरे को सिलाई करना, अविश्वसनीय सटीकता के लिए एक बहुत ही श्रमसाध्य प्रक्रिया है। "पैटर्न" में थोड़ा विचलन पूरे डिवाइस की अक्षमता का कारण बन सकता है। लेकिन ये ऐसी समस्याएं हैं जो हमेशा कुछ नया और अनोखा बनाने की प्रक्रिया में एक रूप या किसी अन्य में उत्पन्न होती हैं। वैज्ञानिकों को यह कहने का कारण नहीं होना चाहिए: "ठीक है, उसे, ऑक्टोपस के साथ मंटिस को पार करना बेहतर है।" MSC टेक्सटाइल टेक्नोलॉजी की अपार संभावनाएं हैं। और यह बहुत सुखद है कि वैज्ञानिक स्वयं अपना ध्यान स्मार्टफोन और आईपॉड (अतिरंजित रूप से बोलने) पर नहीं, बल्कि अधिक महत्वपूर्ण पहनने योग्य उपकरणों - चिकित्सा पर केंद्रित कर रहे हैं। हां, अब उदाहरण के लिए, हृदय गति की निगरानी के लिए कंगन हैं। वे कॉम्पैक्ट और आरामदायक हैं। लेकिन क्या वहां रुकने लायक है? मुझे नहीं लगता कि अन्यथा, हम अभी भी सेल फोन के साथ जाएंगे, जिसमें टीवी के लिए मेरे देश के घर की तुलना में एक बड़ा एंटीना है। पूर्णता की कोई सीमा नहीं है। और अगर वैज्ञानिक कुछ ऐसा बनाना चाहते हैं जो लोगों और उनके स्वास्थ्य को लाभ पहुंचाए, तो कम से कम इसका सम्मान होना चाहिए।



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