可穿戴的“电池”：基于PEDOT-Cl的纺织微型超级电容器

无论您在哪里看，都会以一种或另一种方式盯着需要能量的东西：从手机到更重要的可穿戴医疗设备。 世界各地数十个（甚至更多）研究小组正在集思广益，以寻找产生和存储能量的新方法。 有人专注于塑料，有人专注于纸，甚至有人建议使用处于“睡美人”状态的细菌，直到您需要给手机充电为止。 我们今天的英雄们决定对“可穿戴能量载体”的概念采取更真实的方法。 我们几乎总是穿什么？ 当然是衣服 似乎可以将某种“电池”引入其中，但并非没有困难。 但是，使织物本身成为能量载体不是更凉爽吗？ 想象一下未来发生的这些对话：“亲爱的，我的T恤在哪里收费？” 或“我会给您回电，否则我的牛仔裤很快就会用完。” 好吧，好吧，让我们从平淡的笑话转向研究的精髓。 科学家如何创造“充满活力”的衣服，他们的创造效果如何，前景如何？ 我们深入研究人员的报告中寻找答案。 走吧

学习基础

科学家注意到，要制造出完整，有效和实用的紧凑型便携式健康监测设备（或其他个人设备），非标准电池是极其重要的元素。 MSC（微型超级电容器）是该职位的最佳人选，与传统的超级电容器*不同，MSC可以非常小，这是个好消息。

超级电容器*是一种电化学电荷存储设备，具有有机/无机电解质以及在电极和电解质之间的双电层。

当然，此类电池最吸引人的地方是它们的价格，这几乎让人难以接受。 但是，科学家们认为，随着技术的发展，使用更经济的材料以及扩大批量生产，这种需求将减少。 目前，纸质或塑料已非常关注MSC。 但是纺织品在研究人员中并不那么受欢迎。 主要的困难在于用于制造MSC的电化学纤维电极的制造。 但是，由于任务艰巨而停下来，我们今天的英雄们并不会这么做。

研究人员注意到可穿戴式超级电容器应具有的两个重要指标：高能量密度和机械阻力。 但是使用什么材料呢？ 有很多选择：石墨烯，共轭聚合物，MXene，碳纳米管等。 在纺织品中引入具有高电导率的电化学活性材料并非易事。 镍和还原的氧化石墨烯已嵌入到为实现MSC实施而准备的纺织品中，在此方面已证明了自己的优势。 但是，该选项仍然没有足够的能量密度供实际使用。


PEDOT-Cl的化学结构。

在同一项研究中，科学家决定使用一种更“异国情调”的材料-PEDOT-Cl。 另一个名称（对于热身发音爱好者而言）是p型聚（3,4-乙撑二氧噻吩） * 。

p型半导体*是其中空穴为主要电荷载体的半导体。 它是通过掺杂自己的半导体受体来获得的。

通过真空沉积将PEDOT-Cl涂层施加到基材上，表明在纺织品上具有很高的电导率和相当稳定的电化学性能。 因此，科学家们能够制造出具有高能量密度的纺织品微型超级电容器，其基础是弹性纺织品基质和采用PEDOT-Cl喷涂的导电线。

现在，我们对这个独特创作的细节进行了更深入的研究。

物质基础的准备

首先，有必要在不锈钢基体上涂PEDOT-Cl p型薄膜。 单体是3，4-乙撑二氧噻吩（EDOT），FeCl ₃和铁（III）用作氧化剂。 将EDOT加热至90°C后，使用世伟洛克SS-4JB针阀将单体放入含氩气的腔室中，打开四分之一圈。


摄像机的示意图。

腔室中的压力为300±10 mTorr，温度为120°C。 这些参数在整个基底上的整个膜沉积过程中都保持不变。 涂膜的厚度和沉积速率（2 mm / s）由FeCl3氧化剂的蒸发速率控制，该蒸发速率是使用位于室内的石英微量天平测量的。 收到所需的膜厚后，停止施加过程，但腔室保持气密，直到温度降至60度。 为了纯化，将所得膜置于甲醇中15分钟。


涂PEDOT-Cl之前和之后的螺纹外观。

为了产生完整的固态MSC，使用了通过将1克聚乙烯醇缓慢引入10克H ₂ SO ₄溶液中制成的聚合物凝胶电解质。 然后将混合物加热至90℃并搅拌2小时。 接下来，将所得混合物施加到电极上并干燥。

研究成果


在应用PEDOT-Cl和能量色散X射线光谱仪之前和之后，细丝的SEM图像（下排）。

可以说，在一种方法中，您可以制造约32英尺（9.7536 m）的螺纹。 根据科学家的说法，获得如此高的必要的高能量密度的主要问题是电子材料的粘合性（粘合性）差或厚膜的形貌未优化，这使得离子转移过程极为困难。 实际上，线程越粗越好，但是，如果您过度使用它，只会变得更糟。

在这项研究中，应用方法本身（真空沉积）有助于解决此问题。 使用不锈钢作为基础也是一个优势，因为这种材料由于其结构（请参见上图）而具有更大的与PEDOT-Cl膜粘合的区域。



上图显示了使用三电极电解池在0.5 M Na ₂ SO ₄或0.5 MH ₂ SO _4中获得的循环伏安结果。 使用一根长为1 cm的PEDOT-Cl涂层的线作为工作电极，辅助电极：铂作为指示电极，而氯化银（Ag / AgCl）作为参比电极。

当在Na ₂ SO _4中扫描（5 mV / s）时，获得的电容为15 mF / cm（毫厘米/厘米），在H ₂ SO _4中为 -12 mF / cm。 科学家认为扫描本身对指标的影响微不足道。 因此，在100 mV / s的扫描速度下，两种电解质的性能都会下降到8.5 mF / cm的水平。



在这里，我们看到了创建纺织品MSC的过程（上图为）。 非常重要的一点是使电极针之间的距离最小化（我们称其为“电极指”，因为在研究中称它们为“电极指”）。 这对于在最小的设备中使用是必需的，以减小离子电导率的长度并增加可能的电荷存储量。 最小化该距离的问题是纤维非常“蓬松”。 也就是说，不锈钢螺纹不光滑。 螺纹上的细纤维沿不同的方向伸出并接触相邻的细纤维，从而导致短路。 如何解决这个问题简单却有效？ 当然，请使用弹力纺织品。 首先，通过MSC对织物进行“挤压”和缝制，然后去除紧固件，然后织物进入自然状态。 甚至材料（织物）的针脚也受益匪浅，成为一种“眼睛”。 六个电极之间的距离始终相同-2针。 每个电极是2根涂有PEDOT-Cl的绞线，缠绕在一起形成一个单元。 电极的长度为5mm，宽度为0.6mm，高度为1.2mm。 尺寸也不是随机的，因为它们对整体能量密度指数有很大的影响。

将电极缝在压缩组织上后，将PVA / H ₂ SO ₄凝胶电解质涂在其上。 直到其变硬，基础织物才被拉平，从而在电极之间提供了另一个附加的屏障，从而不会发生短路。

MSC图像下方的图表显示了具有PVA / H ₂ SO ₄凝胶电解质和EMIMBF4电解质（全名：1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸酯）（ d ）的纺织MSC的伏安图。

在2 mV / s的扫描速度下，具有PVA / H ₂ SO ₄的MSC电容为80 mF / cm ² 。 如果速度增加到5 mV / s-60 mF / cm ² 。 并且在令人难以置信的300 mV / s时，电容指示器虽然降至26，但仍保持稳定。

带有EMIMBF4电解质的MSC以5 mV / s扫描时的结果略低-50 mF / cm ² 。


检查样品的抗机械应力（ a ， b ）。 电化学电阻（ s ）。 当前可用的最先进的MSC与本研究中测试的MSC的比较（ d ）。

现在，您需要了解MSC的难易程度，以及科学家如何测试此参数。

当样品以90°或180°的角度弯曲时，进行恒流充电/放电测量。 样品也被扭曲并卷起。 换句话说，科学家竭尽全力地嘲笑他，这是有道理的，因为例如谁需要一件带有这些MSC的T恤，既不能穿也不能放在手提箱里。 结果表明，充电/放电指示器与处于平静状态（没有机械冲击）的样品完全相同。

曲线c显示了具有PVA / H ₂ SO ₄凝胶电解质的MSC的电化学电阻。 4000次循环后，样品保留了其初始电化学状态（容量）的71％。 在平静状态下放置12小时后，样品容量指数恢复到93％。 科学家以相同的循环次数重复了测试，结果是相同的（71％，然后在12小时后-93％）。 如果您认为科学家检查了1次所有内容，那么您就错了。 该测试在12种不同的设备上进行了3次。 并且所有结果几乎相同。

科学家们已经比较了已经开发的MSC及其创造。 他们的纺织MSC版本的能量密度比柔性纸或塑料前体的能量密度高一个数量级。 纺织品MSC的密度为0.1 mW·h / g。


普通T恤，带有MSC的不寻常“徽标”。

要详细了解这项研究，建议您在此处查看（研究组的报告） 。

结语

科学家指出，他们的技术需要改进。 主要是由于不同设备选件的兼容性问题。 当使用微型超级电容器时，设备的结构，电极的尺寸以及它们之间的距离非常重要。 因此，即使将纺织品MSC应用于基部，即彼此缝合，也是非常艰苦的过程，需要令人难以置信的准确性。 “样式”中的细微差异可能导致整个设备无法正常工作。 但是，这些问题在创造新颖独特的过程中总是以一种或另一种形式出现。 他们不应该成为科学家说：“好吧，他，把螳螂和章鱼一起穿过是更好的选择”。 MSC纺织技术具有巨大的潜力。 令人高兴的是，科学家们自己的注意力不再集中在智能手机和iPod（夸张地说）上，而是集中在更重要的可穿戴设备上-医疗设备。 是的，例如，现在有用于监测心率的手镯。 它们紧凑而舒适。 但是，到此止步值得吗？ 我认为不会的，我们仍然会使用手机，因为天线比我在乡间别墅里的电视还要大。 完美无止境。 如果科学家想创造有益于人类及其健康的东西，那么至少应该尊重它。



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