“Baterai” yang dapat dipakai: kapasitor mikro tekstil berdasarkan PEDOT-Cl

Di mana pun Anda melihat, dengan satu atau lain cara Anda akan menatap sesuatu yang membutuhkan energi: dari ponsel hingga perangkat medis yang jauh lebih penting. Lusinan, jika tidak lebih, dari kelompok penelitian di seluruh dunia sedang melakukan brainstorming untuk mencari metode baru untuk menghasilkan dan menyimpan energi. Seseorang berfokus pada plastik, seseorang di atas kertas, dan seseorang bahkan menyarankan menggunakan bakteri yang berada dalam kondisi "keindahan tidur" sampai Anda perlu mengisi ulang telepon. Pahlawan kita saat ini memutuskan untuk mengambil pendekatan yang lebih literal dengan konsep "pembawa energi yang dapat dipakai". Apa yang hampir selalu kita pakai? Tentu saja pakaian. Mungkin saja dan tidak begitu sulit untuk memperkenalkan semacam "baterai" ke dalamnya. Tapi bukankah lebih keren untuk membuat kain itu sendiri pembawa energi? Bayangkan saja dialog-dialog ini dari masa depan: "Sayang, di mana muatan dari kaos saya?" atau "Aku akan meneleponmu kembali, kalau tidak celana jeansku akan segera habis." Baiklah, mari kita beralih dari lelucon datar ke inti penelitian. Bagaimana para ilmuwan membuat pakaian "energik", seberapa efektif ciptaan mereka dan apa prospeknya? Kami menyelami laporan para peneliti untuk mencari jawaban. Ayo pergi.

Dasar studi

Para ilmuwan mencatat bahwa untuk membuat perangkat pemantauan kesehatan portabel yang lengkap, efektif dan praktis (atau perangkat pribadi lainnya), baterai non-standar adalah elemen yang sangat penting. Calon yang sangat baik untuk posisi ini adalah MSC (micro-super-kapasitor), yang, tidak seperti superkapasitas klasik * , bisa sangat kecil, yang merupakan kabar baik.

Supercapacitor * adalah perangkat penyimpanan muatan elektrokimia dengan elektrolit organik / anorganik dan lapisan listrik ganda antara elektroda dan elektrolit.

Tentu saja, minus yang paling menarik dari baterai tersebut adalah harganya, yang cukup menggigit. Namun, para ilmuwan berpendapat bahwa itu akan berkurang seiring dengan perkembangan teknologi dan melalui penggunaan bahan yang lebih ekonomis dan perluasan produksi massal. Saat ini, banyak perhatian diberikan kepada MSC di atas kertas atau plastik. Tetapi tekstil tidak memiliki popularitas seperti itu di antara para peneliti. Kesulitan utama terletak pada pembuatan elektroda serat elektrokimia yang akan digunakan untuk membuat MSC. Namun, untuk berhenti karena kenyataan bahwa tugas itu sulit, para pahlawan kita hari ini tidak akan melakukannya.

Para peneliti mencatat dua indikator penting yang seharusnya dimiliki kapasitor yang dapat dipakai: kepadatan energi yang tinggi dan ketahanan mekanis. Tapi bahan apa yang digunakan? Ada banyak pilihan: graphene, polimer terkonjugasi, MXene, carbon nanotube, dll. Pengenalan bahan aktif secara elektrokimia dengan konduktivitas listrik yang tinggi dalam tekstil bukanlah tugas yang mudah. Nikel dan oksida graphene tereduksi, yang tertanam dalam tekstil yang disiapkan sebelumnya untuk penerapan MSC tekstil, telah membuktikan diri dengan baik dalam hal ini. Tetapi opsi ini masih belum memiliki kepadatan energi yang cukup untuk penggunaan praktis.


Struktur kimia PEDOT-Cl.

Dalam studi yang sama ini, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan bahan yang bahkan lebih "eksotis" - PEDOT-Cl. Nama lain (untuk penggemar artikulasi pemanasan) adalah poli tipe-p (3,4-ethylenedioxythiophene) * .

Semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor di mana lubang adalah pembawa muatan utama. Ini diperoleh dengan doping dengan akseptor semikonduktor sendiri.

Pelapisan PEDOT-Cl, diterapkan pada substrat dengan deposisi vakum, menunjukkan tingkat konduktivitas listrik yang tinggi pada tekstil dan sifat elektrokimia yang cukup stabil. Dengan demikian, para ilmuwan dapat membuat super-kapasitor mikro tekstil dengan kepadatan energi yang tinggi, yang dasarnya adalah substrat tekstil elastis dan benang konduktif dengan penyemprotan PEDOT-Cl.

Sekarang kami menggali sedikit lebih dalam untuk mencari detail dari ciptaan unik ini.

Persiapan dasar material

Sebagai permulaan, perlu untuk menerapkan film tipe-PEDOT-Cl pada basis stainless steel. Monomer adalah 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT), dan FeCl ₃ , besi (III), berfungsi sebagai agen pengoksidasi. Setelah memanaskan EDOT hingga 90 ° C, monomer ditempatkan di ruang yang mengandung argon menggunakan katup jarum Swagelok SS-4JB, buka seperempat putaran.


Gambar skematis kamera.

Tekanan dalam bilik adalah 300 ± 10 mTorr, dan suhunya 120 ° C. Parameter-parameter ini dipertahankan sepanjang seluruh prosedur pengendapan film pada substrat. Ketebalan film yang diterapkan dan laju pengendapan (2 mm / dt) dikontrol oleh laju penguapan zat pengoksidasi FeCl3, yang diukur menggunakan keseimbangan mikro kuarsa yang terletak di dalam bilik. Setelah menerima ketebalan film yang diinginkan, proses aplikasi dihentikan, tetapi ruang tetap kedap udara hingga suhu turun hingga 60 derajat. Untuk pemurnian, film yang dihasilkan ditempatkan dalam metanol selama 15 menit.


Penampilan utas sebelum dan sesudah menerapkan PEDOT-Cl.

Untuk membuat MSC solid-state penuh, elektrolit gel polimer dibuat dengan secara perlahan memasukkan 1 gram alkohol polivinil ke dalam 10 gram larutan H2SO4 digunakan. Campuran kemudian dipanaskan hingga 90 ° C dan diaduk selama 2 jam. Selanjutnya, campuran yang dihasilkan diaplikasikan pada elektroda dan dikeringkan.

Hasil penelitian


Gambar SEM filamen sebelum dan sesudah menerapkan PEDOT-Cl dan spektroskopi x-ray dispersif energi (baris bawah).

Dalam satu, jadi untuk berbicara, pendekatan, Anda dapat membuat sekitar 32,7536 m benang. Menurut para ilmuwan, masalah utama untuk memperoleh kepadatan energi tinggi yang sangat diperlukan adalah adhesi yang buruk (adhesi) bahan elektronik atau morfologi film tebal yang tidak dioptimalkan, yang membuat proses transfer ion sangat sulit. Faktanya, semakin tebal utasnya, semakin baik, tetapi jika Anda berlebihan, itu hanya akan semakin buruk.

Dalam penelitian ini, metode aplikasi itu sendiri, deposisi vakum, membantu menyelesaikan masalah ini. Penggunaan stainless steel sebagai alas juga merupakan nilai tambah, karena bahan ini, karena strukturnya (lihat gambar di atas), memiliki lebih banyak area untuk adhesi dengan film PEDOT-Cl.



Gambar di atas menunjukkan hasil voltammogram siklik yang diperoleh dengan menggunakan sel elektrolitik tiga elektroda dalam 0,5 M Na ₂ SO ₄ atau 0,5 MH ₂ SO ₄ . Sebuah benang dengan lapisan PEDOT-Cl panjang 1 cm digunakan sebagai elektroda kerja. Elektroda bantu: platinum sebagai elektroda indikator dan perak klorida (Ag / AgCl) sebagai elektroda referensi.

Saat memindai (5 mV / s) dalam Na ₂ SO ₄ , kapasitansi listrik 15 mF / cm (milifarad per sentimeter) tercapai, dan dalam H ₂ SO ₄ - 12 mF / cm. Para ilmuwan menganggap pengaruh pemindaian itu sendiri pada indikator tidak signifikan. Jadi, pada kecepatan pemindaian 100 mV / s, kinerja turun di kedua elektrolit ke level 8,5 mF / cm.



Di sini kita melihat proses pembuatan MSC tekstil (gambar di atas a ). Poin yang sangat penting adalah untuk meminimalkan jarak antara pin elektroda (sebut saja itu, karena dalam penelitian ini disebut "jari elektroda"). Ini diperlukan untuk digunakan dalam perangkat terkecil, untuk mengurangi panjang konduktivitas ionik dan untuk meningkatkan kemungkinan jumlah muatan yang tersimpan. Masalah untuk meminimalkan jarak ini adalah bahwa seratnya cukup "halus". Artinya, benang stainless steel tidak mulus. Serat kecil pada ulir menonjol ke arah yang berbeda dan menyentuh serat yang berdekatan, yang menyebabkan korsleting. Bagaimana mengatasi masalah ini sederhana tetapi efektif? Gunakan stretch tekstil, tentu saja. Pertama, kain "diperas" dan dijahit oleh MSC, setelah itu pengencang dihapus, dan kain masuk ke keadaan alami. Bahkan jahitan dari bahan (kain) telah mendapat manfaat, berfungsi sebagai semacam "mata". Jarak antara enam elektroda selalu sama - 2 jahitan. Masing-masing elektroda 2 helai dilapisi dengan PEDOT-Cl dan terjalin untuk membentuk satu unit. Panjang elektroda adalah 5 mm, lebarnya 0,6 mm, dan tingginya 1,2 mm. Dimensi juga tidak acak, karena mereka memiliki pengaruh besar pada keseluruhan indeks kepadatan energi.

Setelah elektroda dijahit ke jaringan yang dikompresi, elektrolit gel PVA / H ₂ SO ₄ diaplikasikan pada mereka. Sampai mengeras, kain dasar diratakan, sehingga memberikan penghalang tambahan lain di antara elektroda sehingga tidak terjadi hubung singkat.

Grafik di bawah gambar MSC menunjukkan voltammogram MSC tekstil dengan elektrolit gel PVA / H ₂ SO ₄ dan elektrolit EMIMBF4 (nama lengkap: 1-etil-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) ( d ).

Pada kecepatan pindai 2 mV / s, kapasitansi MSC dengan PVA / H ₂ SO ₄ adalah 80 mF / cm ² . Jika kecepatan ditingkatkan menjadi 5 mV / s - 60 mF / cm ² . Dan pada 300 mV / s yang luar biasa, indikator kapasitansi, meskipun turun menjadi 26, tetap stabil.

MSC dengan elektrolit EMIMBF4 saat memindai pada 5 mV / s menunjukkan hasil yang sedikit lebih rendah - 50 mF / cm ² .


Memeriksa sampel untuk mengetahui ketahanan terhadap tekanan mekanis ( a , b ). Resistensi elektrokimia. Perbandingan MSC paling canggih saat ini tersedia dan MSC diuji dalam penelitian ini ( d ).

Sekarang Anda perlu memahami seberapa kuat, jadi, MSC, dan bagaimana para ilmuwan menguji parameter ini.

Pengukuran muatan / pengosongan galvanis dilakukan ketika sampel ditekuk pada sudut 90 ° atau 180 °. Sampel juga diputar dan digulung. Dengan kata lain, para ilmuwan mengejeknya sebaik mungkin, dan ini cukup dibenarkan, karena siapa yang butuh, katakanlah, kaus dengan MSC ini, yang tidak bisa dipakai atau dimasukkan ke dalam koper. Indikator pengisian / pengosongan ternyata persis sama dengan sampel dalam keadaan tenang (tanpa dampak mekanis padanya).

Grafik c menunjukkan resistensi elektrokimia MSC dengan elektrolit gel PVA / H ₂ SO ₄ . Setelah 4000 siklus, sampel mempertahankan 71% dari keadaan elektrokimia awal (kapasitas). Setelah 12 jam dalam keadaan tenang, indeks kapasitas sampel dikembalikan ke 93%. Para ilmuwan mengulangi tes dengan jumlah siklus yang sama, dan hasilnya sama (71%, kemudian setelah 12 jam - 93%). Jika Anda berpikir bahwa para ilmuwan memeriksa semuanya 1 kali, maka Anda salah. Tes ini dilakukan pada 12 perangkat yang berbeda 3 kali. Dan semua hasilnya hampir identik.

Para ilmuwan telah membandingkan MSC yang sudah dikembangkan dan kreasi mereka. Versi MSC tekstil mereka memiliki kerapatan energi yang besarnya lebih tinggi daripada prekursor kertas atau plastik fleksibel. MSC Tekstil memiliki kepadatan 0,1 mW⋅h / g.


Kaos polos dengan "logo" yang tidak biasa dari MSC.

Untuk kenalan terperinci dengan penelitian ini, saya sarankan Anda melihat di sini (laporan dari kelompok penelitian) .

Epilog

Para ilmuwan mencatat bahwa teknologi mereka membutuhkan perbaikan. Sebagian besar karena masalah kompatibilitas dengan opsi perangkat yang berbeda. Ketika bekerja dengan micro-super kapasitor, arsitektur perangkat, dimensi elektroda dan jarak di antara keduanya sangat penting. Oleh karena itu, bahkan menerapkan MSC tekstil ke pangkalan, yaitu, menjahit satu ke yang lain, adalah proses yang sangat melelahkan yang membutuhkan akurasi luar biasa. Penyimpangan yang sedikit dalam "pola" dapat menyebabkan tidak dapat dioperasikannya seluruh perangkat. Tetapi ini adalah masalah yang selalu muncul dalam satu atau lain bentuk dalam proses menciptakan sesuatu yang baru dan unik. Mereka seharusnya tidak menjadi alasan bagi para ilmuwan untuk mengatakan: "Yah, dia, lebih baik untuk menyeberangi belalang dengan gurita." Teknologi tekstil MSC memiliki potensi yang sangat besar. Dan sangat menyenangkan bahwa para ilmuwan sendiri memusatkan perhatian mereka bukan pada telepon pintar dan iPod (secara berlebihan), tetapi pada perangkat yang jauh lebih penting yang dapat dipakai - perangkat medis. Ya, sekarang ada, misalnya, gelang untuk memonitor detak jantung. Mereka kompak dan nyaman. Tetapi apakah itu layak untuk berhenti di sana? Saya tidak berpikir sebaliknya, kami akan tetap menggunakan telepon seluler, yang memiliki antena lebih besar daripada yang saya miliki di rumah pedesaan saya untuk TV. Tidak ada batasan untuk kesempurnaan. Dan jika para ilmuwan ingin menciptakan sesuatu yang akan bermanfaat bagi manusia dan kesehatan mereka, setidaknya itu harus dihormati.



Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?