“Pilhas” vestíveis: micro-supercapacitores têxteis baseados em PEDOT-Cl

Onde quer que você olhe, de uma maneira ou de outra, você olhará para algo que requer energia: de telefones celulares a dispositivos médicos vestíveis muito mais importantes. Dezenas, se não mais, de grupos de pesquisa em todo o mundo estão em brainstorming em busca de novos métodos para gerar e armazenar energia. Alguém se concentra no plástico, alguém no papel e até sugere sugerir o uso de bactérias que estão no estado "bela adormecida" até que você precise recarregar o telefone. Os heróis de hoje decidiram adotar uma abordagem mais literal ao conceito de "portadores de energia vestível". O que vestimos quase sempre? Claro, roupas. É possível e não tão difícil introduzir algum tipo de "bateria" nela, ao que parece. Mas não é mais legal fazer do próprio tecido um transportador de energia? Imagine estes diálogos do futuro: "Querida, onde está a carga da minha camiseta?" ou "Eu ligo de volta, caso contrário, meu jeans acabará em breve". Bem, tudo bem, vamos passar de piadas chatas para a essência do estudo. Como os cientistas criaram roupas “energéticas”, qual a eficácia de sua criação e quais são as perspectivas? Mergulhamos no relatório dos pesquisadores em busca de respostas. Vamos lá

Base de estudo

Os cientistas observam que, para criar dispositivos de monitoramento de saúde portáteis compactos completos, eficazes e práticos (ou outros dispositivos pessoais), baterias não padronizadas são um elemento extremamente importante. Excelentes candidatos a essa posição são os MSC (micro-supercapacitores), que, diferentemente dos supercapacitores clássicos * , podem ser extremamente pequenos, o que é uma boa notícia.

O supercapacitor * é um dispositivo de armazenamento de cargas eletroquímicas com um eletrólito orgânico / inorgânico e uma dupla camada elétrica entre o eletrodo e o eletrólito.

Naturalmente, o menos cativante de tais baterias é o preço, que morde bastante. No entanto, os cientistas argumentam que ela diminuirá com o desenvolvimento da tecnologia e com o uso de materiais mais econômicos e a expansão da produção em massa. No momento, muita atenção é dada à MSC em papel ou plástico. Mas os têxteis não têm tanta popularidade entre os pesquisadores. A principal dificuldade reside na fabricação de eletrodos de fibras eletroquímicos que seriam usados ​​para criar o MSC. No entanto, para parar devido ao fato de que a tarefa é difícil, os heróis de hoje não vão.

Os pesquisadores observam dois indicadores importantes que os supercapacitores portáteis devem ter: alta densidade de energia e resistência mecânica. Mas que material usar? Existem muitas opções: grafeno, polímeros conjugados, MXene, nanotubos de carbono, etc. A introdução de materiais eletroquimicamente ativos com alta condutividade elétrica em têxteis não é uma tarefa fácil. Níquel e óxido de grafeno reduzido, que foram incorporados em têxteis pré-preparados para a implementação da MSC têxtil, provaram ser bons nisso. Mas essa opção ainda não possui densidade de energia suficiente para uso prático.


Estrutura química do PEDOT-Cl.

Nesse mesmo estudo, os cientistas decidiram usar um material ainda mais "exótico" - PEDOT-Cl. Outro nome (para os fãs de articulação de aquecimento) é poli (3,4-etilenodioxitiofeno) do tipo p * .

Um semicondutor do tipo p * é um semicondutor no qual os orifícios são o principal transportador de carga. É obtido por dopagem com aceitadores de semicondutores próprios.

O revestimento de PEDOT-Cl, aplicado ao substrato por deposição a vácuo, demonstra um alto grau de condutividade elétrica em tecidos e propriedades eletroquímicas bastante estáveis. Assim, os cientistas conseguiram criar um micro-supercapacitor têxtil com alta densidade de energia, cuja base é um substrato têxtil elástico e fios condutores com pulverização PEDOT-Cl.

Agora, nos aprofundamos um pouco mais em busca dos detalhes dessa criação única.

Preparação da base do material

Para iniciantes, era necessário aplicar filmes do tipo p PEDOT-Cl em uma base de aço inoxidável. O monômero era 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT) e FeCl3, ferro (III), serviu como agente oxidante. Após o aquecimento do EDOT a 90 ° C, o monômero foi colocado em uma câmara contendo argônio usando uma válvula de agulha Swagelok SS-4JB, abra um quarto de volta.


Imagem esquemática da câmera.

A pressão na câmara era de 300 ± 10 mTorr e a temperatura era de 120 ° C. Esses parâmetros foram mantidos durante todo o procedimento de deposição de filme no substrato. A espessura do filme aplicado e a taxa de deposição (2 mm / s) foram controladas pela taxa de evaporação do agente oxidante FeCl3, que foi medido usando microbalanças de quartzo localizadas dentro da câmara. Após o recebimento da espessura desejada do filme, o processo de aplicação foi interrompido, mas a câmara permaneceu estanque até a temperatura cair para 60 graus. Para purificação, o filme resultante foi colocado em metanol por 15 minutos.


Aparência do fio antes e depois da aplicação do PEDOT-Cl.

Para criar um MSC de estado sólido completo, foi utilizado um eletrólito de gel de polímero produzido pela introdução lenta de 1 grama de álcool polivinílico em 10 gramas de uma solução de H2SO4. A mistura foi então aquecida a 90 ° C e agitada durante 2 horas. Em seguida, a mistura resultante foi aplicada aos eletrodos e seca.

Resultados da pesquisa


Imagens SEM de filamentos antes e depois da aplicação do PEDOT-Cl e espectroscopia de dispersão de energia por raios-x (linha inferior).

Em uma abordagem, por assim dizer, você pode fazer 9 pés (9,7536 m) de fios. Segundo os cientistas, o principal problema de se obter tanta densidade energética necessária é a baixa adesão (adesão) de material eletrônico ou a morfologia não otimizada de filmes espessos, o que dificulta extremamente o processo de transferência de íons. De fato, quanto mais espessa a linha, melhor, mas se você exagerar, ela só ficará pior.

Neste estudo, o próprio método de aplicação, deposição a vácuo, ajudou a resolver esse problema. O uso do aço inoxidável como base também foi uma vantagem, pois esse material, devido à sua estrutura (veja as figuras acima), possui maior área de adesão ao filme PEDOT-Cl.



As imagens acima mostram os resultados dos voltamogramas cíclicos obtidos usando uma célula eletrolítica de três eletrodos em Na2SO4 0,5 M ou 0,5 MH ₂ SO ₄ . Um fio com revestimento PEDOT-Cl de 1 cm de comprimento atuou como eletrodo de trabalho.Elétrodos auxiliares: platina como eletrodo indicador e cloreto de prata (Ag / AgCl) como eletrodo de referência.

Ao digitalizar (5 mV / s) em Na2SO4, é alcançada uma capacitância elétrica de 15 mF / cm (milifarad por centímetro) e em H2SO4 - 12 mF / cm. Os cientistas consideram insignificante a influência da própria varredura nos indicadores. Assim, a uma velocidade de varredura de 100 mV / s, o desempenho cai em ambos os eletrólitos para o nível de 8,5 mF / cm.



Aqui vemos o processo de criação de MSCs têxteis (imagem acima a ). Um ponto muito importante é minimizar a distância entre os pinos dos eletrodos (vamos chamá-los assim, porque no estudo eles são chamados de "dedos dos eletrodos"). Isso é necessário para uso nos dispositivos menores, para reduzir o comprimento da condutividade iônica e aumentar a quantidade possível de carga armazenada. O problema para minimizar essa distância é que as fibras são bastante "macias". Ou seja, a rosca de aço inoxidável não é lisa. Pequenas fibras nas linhas se destacam em diferentes direções e tocam as adjacentes, o que causa curtos-circuitos. Como resolver este problema é simples, mas eficaz? Use tecido elástico, é claro. Primeiro, o tecido é "espremido" e costurado pela MSC, após o qual os prendedores são removidos e o tecido entra em seu estado natural. Até os pontos do material (tecido) se beneficiaram, servindo como uma espécie de "olho". A distância entre os seis eletrodos é sempre a mesma - 2 pontos. Cada um dos eletrodos é composto por 2 fios revestidos com PEDOT-Cl e entrelaçados para formar uma única unidade. O comprimento dos eletrodos é de 5 mm, a largura é de 0,6 mm e a altura é de 1,2 mm. As dimensões também não são aleatórias, porque exercem uma grande influência no índice geral de densidade de energia.

Depois que os eletrodos são costurados no tecido comprimido, um eletrólito de gel de PVA / H2SO4 é aplicado a eles. Até endurecer, o tecido base é nivelado, fornecendo assim outra barreira adicional entre os eletrodos, para que não ocorram curtos-circuitos.

Os gráficos abaixo das imagens do MSC mostram voltamogramas de MSC têxteis com eletrólito ( s ) de gel PVA / H2SO4 e eletrólito EMIMBF4 (nome completo: tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazólio) ( d ).

A uma velocidade de varredura de 2 mV / s, a capacitância MSC com PVA / H2SO4 é de 80 mF / cm2. Se a velocidade for aumentada para 5 mV / s - 60 mF / cm ² . E a incríveis 300 mV / s, o indicador de capacitância, embora caia para 26, permanece estável.

O MSC com eletrólito EMIMBF4 ao digitalizar a 5 mV / s mostrou um resultado ligeiramente menor - 50 mF / cm ² .


Verificação da amostra quanto à resistência ao estresse mecânico ( a , b ). Resistência eletroquímica. Comparação do MSC mais avançado atualmente disponível e o MSC testado neste estudo ( d ).

Agora você precisa entender como a MSC é robusta, por assim dizer, e como os cientistas testaram esse parâmetro.

As medições galvanizadas de carga / descarga foram realizadas quando a amostra foi dobrada em um ângulo de 90 ° ou 180 °. A amostra também foi torcida e enrolada. Em outras palavras, os cientistas zombaram dele da melhor maneira possível, e isso é bastante justificado, porque quem precisa, digamos, de uma camiseta com esses MSCs, que não podem ser usados ​​nem colocados em uma mala. Os indicadores de carga / descarga mostraram-se exatamente iguais aos da amostra em um estado calmo (sem impacto mecânico).

O gráfico c mostra a resistência eletroquímica do MSC com eletrólito em gel de PVA / H2SO4. Após 4000 ciclos, a amostra reteve 71% de seu estado eletroquímico inicial (capacidade). Após 12 horas em um estado calmo, o índice de capacidade da amostra foi restaurado para 93%. Os cientistas repetiram o teste com o mesmo número de ciclos, e os resultados foram os mesmos (71%, depois de 12 horas - 93%). Se você acha que os cientistas verificaram tudo uma vez, está enganado. Este teste foi realizado em 12 dispositivos diferentes 3 vezes. E todos os resultados foram quase idênticos.

Os cientistas compararam o MSC já desenvolvido e sua criação. Sua versão do MSC têxtil possui uma densidade de energia em uma ordem de magnitude superior à dos precursores flexíveis de papel ou plástico. O MSC têxtil tem uma densidade de 0,1 mW⋅h / g.


Camiseta lisa com um "logotipo" incomum da MSC.

Para um conhecimento detalhado do estudo, recomendo que você procure aqui (relatório do grupo de pesquisa) .

Epílogo

Os cientistas observam que sua tecnologia requer melhorias. Principalmente devido a problemas de compatibilidade com diferentes opções de dispositivos. Ao trabalhar com micro-supercapacitores, a arquitetura do dispositivo, as dimensões dos eletrodos e a distância entre eles são de grande importância. Consequentemente, mesmo aplicar MSC têxtil na base, ou seja, costurar um ao outro, é um processo muito meticuloso que requer uma precisão incrível. Pequenos desvios no "padrão" podem levar à inoperabilidade de todo o dispositivo. Mas esses são problemas que sempre surgem de uma forma ou de outra no processo de criação de algo novo e único. Eles não devem ser o motivo dos cientistas dizerem: "Bem, é melhor cruzar o louva-a-deus com o polvo". A tecnologia têxtil da MSC tem um enorme potencial. E é muito agradável que os próprios cientistas concentrem sua atenção não em smartphones e iPods (falando exageradamente), mas em dispositivos portáteis muito mais importantes - os médicos. Sim, agora existem, por exemplo, pulseiras para monitorar a frequência cardíaca. Eles são compactos e confortáveis. Mas vale a pena parar por aí? Eu acho que não, nós ainda usaríamos telefones celulares, que têm uma antena maior do que na minha casa de campo para a TV. Não há limite para a perfeição. E se os cientistas querem criar algo que beneficie as pessoas e sua saúde, isso deve ser respeitado.



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