Forscher der Drexel University sind der Realisierung tragbarer Textiltechnologie einen Schritt näher gekommen. Kürzlich erschienen im Zeitschrift für Materialchemie A, Materialwissenschaftler des Drexel’s College of Engineering haben in Zusammenarbeit mit einem Team der Accenture Labs über ein neues Design eines flexiblen, tragbaren Superkondensatorpflasters berichtet. Es verwendet MXene, ein Material, das 2011 an der Drexel University entdeckt wurde, um einen textilbasierten Superkondensator zu schaffen, der in Minuten aufgeladen werden kann und einen Arduino-Mikrocontroller-Temperatursensor und die Funkkommunikation von Daten für fast zwei Stunden mit Strom versorgt.
„Dies ist eine bedeutende Entwicklung für tragbare Technologie“, sagte Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University und Bach-Professor am Drexel’s College of Engineering, der die Studie mitverfasst hat. „Um Technologie vollständig in Stoff zu integrieren, müssen wir auch in der Lage sein, seine Energiequelle nahtlos zu integrieren – unsere Erfindung zeigt den Weg nach vorne für textile Energiespeicher.“
Die Studie, die zusammen mit Gogotsis Studenten und Postdoktoranden Genevieve Dion, Professorin und Direktorin des Center for Functional Fabrics, und Forschern der Accenture Labs in Kalifornien verfasst wurde, baut auf früheren Forschungsarbeiten auf, die sich mit Haltbarkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Energiespeicherkapazität befassten MXene-funktionalisierte Textilien, die nicht darauf drängten, das Textil für die Stromversorgung von Elektronik über passive Geräte wie LED-Leuchten hinaus zu optimieren. Die neueste Arbeit zeigt, dass es nicht nur den Strapazen eines Textils standhalten kann, sondern auch genügend Energie speichern und liefern kann, um programmierbare Elektronik zu betreiben, die stundenlang Umweltdaten sammelt und überträgt – ein Fortschritt, der es für den Einsatz in der Gesundheitstechnologie positionieren könnte.
Forscher der Drexel University haben einen textilen Superkondensator entwickelt, der einen Mikrocontroller mit Strom versorgen und Temperaturdaten fast zwei Stunden lang ohne Aufladen drahtlos übertragen kann. Bildnachweis: Drexel University
„Während es viele Materialien gibt, die in Textilien integriert werden können, hat MXene aufgrund seiner natürlichen Leitfähigkeit und der Fähigkeit, sich in Wasser als stabile kolloidale Lösung zu dispergieren, einen deutlichen Vorteil gegenüber anderen Materialien. Das bedeutet, dass Textilien problemlos ohne MXene beschichtet werden können mit chemischen Zusätzen – und zusätzlichen Produktionsschritten – um das MXene dazu zu bringen, am Stoff zu haften“, sagte Tetiana Hryhorchuk, Doktorandin am Drexel’s College of Engineering und Co-Autorin. „Als Ergebnis zeigte unser Superkondensator eine hohe Energiedichte und ermöglichte funktionale Anwendungen wie die Stromversorgung programmierbarer Elektronik, die für die Implementierung von textilbasierter Energiespeicherung in reale Anwendungen erforderlich ist.“
Drexel-Forscher haben die Möglichkeit untersucht, MXene, ein leitfähiges zweidimensionales Nanomaterial, als Beschichtung zu verwenden, die einer Vielzahl von Materialien außergewöhnliche Eigenschaften in Bezug auf Leitfähigkeit, Haltbarkeit, Undurchlässigkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung und Energiespeicherung verleihen kann.
Kürzlich hat das Team nach Möglichkeiten gesucht, leitfähiges MXene-Garn zu verwenden, um Textilien herzustellen, die Temperatur, Bewegung und Druck wahrnehmen und darauf reagieren. Aber um diese Stoffgeräte vollständig als „Wearables“ zu integrieren, mussten die Forscher auch einen Weg finden, eine Stromquelle in den Mix einzuweben.
„Flexible, dehnbare und wirklich textiltaugliche Energiespeicherplattformen fehlten bisher in den meisten E-Textil-Systemen aufgrund der unzureichenden Leistungskennzahlen der derzeit verfügbaren Materialien und Technologien“, schrieb das Forschungsteam. „Frühere Studien berichteten von ausreichender mechanischer Festigkeit, um industriellem Stricken standzuhalten. Die demonstrierte Anwendung umfasste jedoch nur einfache Geräte.“
Das Team machte sich daran, seinen MXene-Textil-Superkondensator-Patch mit dem Ziel zu entwickeln, die Energiespeicherkapazität zu maximieren und gleichzeitig eine minimale Menge an aktivem Material zu verwenden und den geringsten Platz einzunehmen – um die Gesamtproduktionskosten zu senken und die Flexibilität und Tragbarkeit des zu bewahren Kleidungsstück.
Um den Superkondensator herzustellen, tauchte das Team einfach kleine Muster gewebter Baumwolltextilien in eine MXene-Lösung und schichtete sie dann auf ein Lithiumchlorid-Elektrolytgel. Jede Superkondensatorzelle besteht aus zwei Schichten MXene-beschichtetem Textil mit einem Elektrolytseparator, der ebenfalls aus Baumwolltextil besteht. Um einen Patch mit genügend Leistung für den Betrieb einiger nützlicher Geräte zu erstellen – in diesem Fall programmierbare Arduino-Mikrocontroller – stapelte das Team fünf Zellen, um ein Netzteil zu erstellen, das auf 6 Volt aufgeladen werden kann, die gleiche Menge wie die größeren rechteckigen Batterien, die häufig zur Stromversorgung verwendet werden Golfcarts, elektrische Laternen oder für Starthilfefahrzeuge.
„Wir kamen zu der optimierten Konfiguration eines tauchbeschichteten fünfzelligen Stapels mit einer Fläche von 25 Quadratzentimetern, um die elektrische Last zu erzeugen, die für die Stromversorgung programmierbarer Geräte erforderlich ist“, sagte Alex Inman, Doktorand am College of Engineering, und Mitautor der Abhandlung. „Wir haben die Zellen auch vakuumversiegelt, um eine Verschlechterung der Leistung zu verhindern. Dieser Verpackungsansatz könnte auf kommerzielle Produkte anwendbar sein.“
Der leistungsstärkste Textil-Superkondensator versorgte einen Arduino Pro Mini 3,3-V-Mikrocontroller mit Strom, der 96 Minuten lang alle 30 Sekunden drahtlos die Temperatur übertragen konnte. Es hielt dieses Leistungsniveau konstant für mehr als 20 Tage.
„Der erste Bericht über einen textilen MXene-Superkondensator, der ein praktisches peripheres Elektroniksystem mit Strom versorgt, zeigt das Potenzial dieser Familie zweidimensionaler Materialien zur Unterstützung einer breiten Palette von Geräten wie Bewegungstrackern und biomedizinischen Monitoren in einer flexiblen Textilform“, sagte Gogotsi.
Das Forschungsteam stellt fest, dass dies eine der höchsten jemals verzeichneten Gesamtleistungsabgaben für ein textiles Energiegerät ist, aber noch verbessert werden kann. Während sie die Technologie weiterentwickeln, werden sie verschiedene Elektrolyte und textile Elektrodenkonfigurationen testen, um die Spannung zu erhöhen, und sie in einer Vielzahl von tragbaren Formen entwerfen.
„Die Stromversorgung bestehender E-Textil-Geräte hängt immer noch weitgehend von traditionellen Formfaktoren wie Lithium-Polymer- und Knopfzellen-Lithiumbatterien ab“, schrieben die Forscher. „Daher verwenden die meisten E-Textil-Systeme keine flexible E-Textil-Architektur, die eine flexible Energiespeicherung beinhaltet. Der in dieser Studie entwickelte MXene-Superkondensator füllt die Lücke und bietet eine textilbasierte Energiespeicherlösung, die flexible Elektronik mit Strom versorgen kann.“
Mehr Informationen:
Alex Inman et al, Wearable energy storage with MXene textile supercapacitors for real world use, Zeitschrift für Materialchemie A (2023). DOI: 10.1039/D2TA08995E