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储能线将织物变成超级电容器

2019年5月13日
研究人员将导电丝和聚合物薄膜结合在一起,在织物衬底上创建了一个柔性的电极网,起到了超级电容器的作用。

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使用纺织品和织物来收集电力、储存能源和生物传感是有意义的——毕竟,每个人都穿衬衫。马萨诸塞大学的一个研究小组已经开发出一种方法,通过一种特殊的缝纫技术,将蒸汽涂层导电线与聚合物薄膜结合起来,在纺织衬底上创造出一种柔性的排列电极网。研究结果就是他们所谓的分布式微型超级电容器(MSC),它可以存储电荷,从而为生物传感器和相关设备供电。

该团队由化学教授Trisha L. Andrew(马萨诸塞大学校长)领导可穿戴电子实验室)设计了一种在密捻纱线上制造多孔导电聚合物薄膜的工艺。然后,这些纤维可以被电解质离子膨胀,以保持单位长度的电荷存储容量,这比以前用染色或挤压纤维所取得的成果要高得多。在这种技术中,导电线是在蒸汽中涂上一层p掺杂的导电聚合物薄膜,然后将其缝在有弹性的纺织品上。

每个电极由两个不锈钢螺纹涂覆p掺杂的聚(3,4-乙二氧基噻吩)材料(PEDOT-Cl),堆叠形成一个长5 mm,宽0.6 mm,高1.2 mm的三维结构。然后凝胶电解质沉积在电极上,以隔离他们和防止电极间接触(图1).在电解液完全固化之前,预拉伸的基材被释放,凝胶起皱;这防止了折叠引起的微裂纹,并产生了一个紧凑的,柔韧的设备。

2.纺织品MSC遭受各种机械变形的图片(a);当设备被弯曲、扭曲或卷起时测量的恒流充电/放电曲线——变形设备的充电/放电曲线与平板设备相似(b);在7 mA/cm的快速扫描速率下测定了纤维间充质干细胞的循环稳定性2(c);将本文报道的纺织MSC与其他最先进的柔性MSC (d)进行比较的区域“Ragone”图。所有的细节都在论文的参考文献中。(来源:马萨诸塞大学可穿戴电子实验室)

对于承受不断运动和变形的可穿戴电荷存储技术来说,对极端机械变形的容忍度显然非常重要。这些纤维间充质干细胞也具有超强的变形能力,即使在设备完全卷起后,其电化学性能也相对不变。

研究人员报告称,该设备的电容具有令人惊讶的可再生能力:在最初的4000次循环之后,71%的初始电容被保留了下来,12小时不运行后恢复到了93%。再循环4000次后,电容保持率再次达到71%,再循环12小时后恢复到93%。他们推测,造成这种行为的一个可能原因是静止期间固态器件中不平衡电荷的再分配。

该团队指出,“将具有高导电性和快速离子传输的电化学活性材料整合到纺织品中具有挑战性。”有了这张纸,我们证明我们可以用我们实验室制造的蒸汽涂层线将电荷储存图案绣在任何衣服上。这为在自主供电的智能服装上简单地缝制电路打开了大门。”

他们详细的研究报告"为可穿戴电子设备供电的高能量密度,超变形,服装集成的微型超级电容器发表在应用材料界面该项目得到了大卫和露西尔·帕卡德基金会的支持。

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