Les chercheurs de l’Université Drexel sont sur le point de faire de la technologie textile portable une réalité. Récemment publié dans le Journal de chimie des matériaux A, des scientifiques des matériaux du Drexel’s College of Engineering, en partenariat avec une équipe d’Accenture Labs, ont signalé une nouvelle conception d’un patch de supercondensateur portable flexible. Il utilise MXene, un matériau découvert à l’Université Drexel en 2011, pour créer un supercondensateur à base de textile qui peut se charger en quelques minutes et alimenter un capteur de température à microcontrôleur Arduino et la communication radio des données pendant près de deux heures.
« Il s’agit d’un développement significatif pour la technologie portable », a déclaré Yury Gogotsi, Ph.D., université distinguée et professeur Bach au Drexel’s College of Engineering, co-auteur de l’étude. « Pour intégrer pleinement la technologie dans le tissu, nous devons également être en mesure d’intégrer de manière transparente sa source d’alimentation – notre invention montre la voie à suivre pour les dispositifs de stockage d’énergie textile. »
Co-écrite avec les étudiants de premier cycle et postdoctoraux de Gogotsi, Geneviève Dion, professeure et directrice du Center for Functional Fabrics, et des chercheurs d’Accenture Labs en Californie, l’étude s’appuie sur des recherches antérieures portant sur la durabilité, la conductivité électrique et la capacité de stockage d’énergie de Textiles fonctionnalisés MXene qui n’ont pas poussé à optimiser le textile pour alimenter l’électronique au-delà des appareils passifs tels que les lumières LED. Les derniers travaux montrent que non seulement il peut résister aux rigueurs d’un textile, mais qu’il peut également stocker et fournir suffisamment d’énergie pour faire fonctionner l’électronique programmable collectant et transmettant des données environnementales pendant des heures – des progrès qui pourraient le positionner pour une utilisation dans la technologie des soins de santé.
Des chercheurs de l’Université Drexel ont développé un supercondensateur textile capable d’alimenter un microcontrôleur et de transmettre sans fil des données de température pendant près de deux heures sans recharge. Crédit : Université Drexel
« Bien qu’il existe de nombreux matériaux pouvant être intégrés dans les textiles, le MXene présente un avantage distinct par rapport aux autres matériaux en raison de sa conductivité naturelle et de sa capacité à se disperser dans l’eau sous forme de solution colloïdale stable. Cela signifie que les textiles peuvent facilement être enduits de MXene sans en utilisant des additifs chimiques – et des étapes de production supplémentaires – pour que le MXene adhère au tissu », a déclaré Tetiana Hryhorchuk, doctorante au Drexel’s College of Engineering et co-auteur. « En conséquence, notre supercondensateur a montré une densité d’énergie élevée et a permis des applications fonctionnelles telles que l’alimentation de l’électronique programmable, qui est nécessaire pour mettre en œuvre le stockage d’énergie à base de textile dans les applications réelles. »
Les chercheurs de Drexel ont exploré la possibilité d’adapter le MXene, un nanomatériau bidimensionnel conducteur, en tant que revêtement pouvant conférer à une large gamme de matériaux des propriétés exceptionnelles de conductivité, de durabilité, d’imperméabilité au rayonnement électromagnétique et de stockage d’énergie.
Récemment, l’équipe a cherché des moyens d’utiliser le fil conducteur MXene pour créer des textiles qui détectent et réagissent à la température, au mouvement et à la pression. Mais pour intégrer pleinement ces appareils en tissu en tant que « wearables », les chercheurs devaient également trouver un moyen d’intégrer une source d’alimentation dans le mélange.
« Les plates-formes de stockage d’énergie flexibles, extensibles et véritablement de qualité textile sont jusqu’à présent absentes de la plupart des systèmes e-textiles en raison des mesures de performance insuffisantes des matériaux et technologies actuellement disponibles », a écrit l’équipe de recherche. « Des études antérieures ont fait état d’une résistance mécanique suffisante pour résister au tricotage industriel. Cependant, l’application démontrée ne comprenait que des dispositifs simples. »
L’équipe a entrepris de concevoir son patch de supercondensateur textile MXene dans le but de maximiser la capacité de stockage d’énergie tout en utilisant une quantité minimale de matériau actif et en occupant le moins d’espace possible, afin de réduire le coût global de production et de préserver la flexibilité et la portabilité du vêtement.
Pour créer le supercondensateur, l’équipe a simplement plongé de petits échantillons de textile en coton tissé dans une solution MXene, puis les a superposés sur un gel d’électrolyte de chlorure de lithium. Chaque cellule de supercondensateur est constituée de deux couches de textile enduit de MXene avec un séparateur d’électrolyte également en textile de coton. Pour créer un patch avec suffisamment de puissance pour faire fonctionner certains appareils utiles – des microcontrôleurs programmables Arduino, dans ce cas – l’équipe a empilé cinq cellules pour créer un bloc d’alimentation capable de charger à 6 volts, la même quantité que les batteries rectangulaires plus grandes souvent utilisées pour alimenter voiturettes de golf, lanternes électriques ou pour faire démarrer les véhicules.
« Nous sommes arrivés à la configuration optimisée d’une pile à cinq cellules à revêtement par immersion d’une superficie de 25 centimètres carrés pour produire la charge électrique nécessaire à l’alimentation des appareils programmables », a déclaré Alex Inman, doctorant au College of Engineering, et co-auteur de l’article. « Nous avons également scellé les cellules sous vide pour éviter la dégradation des performances. Cette approche d’emballage pourrait être applicable aux produits commerciaux. »
Le supercondensateur textile le plus performant alimentait un microcontrôleur Arduino Pro Mini 3,3 V capable de transmettre sans fil la température toutes les 30 secondes pendant 96 minutes. Il a maintenu ce niveau de performance de manière constante pendant plus de 20 jours.
« Le rapport initial d’un supercondensateur textile MXene alimentant un système électronique périphérique pratique démontre le potentiel de cette famille de matériaux bidimensionnels pour prendre en charge une large gamme d’appareils tels que des trackers de mouvement et des moniteurs biomédicaux sous une forme textile flexible », a déclaré Gogotsi.
L’équipe de recherche note qu’il s’agit de l’une des puissances de sortie totales les plus élevées jamais enregistrées pour un dispositif d’énergie textile, mais qu’elle peut encore s’améliorer. Au fur et à mesure qu’ils développent la technologie, ils testeront différentes configurations d’électrolytes et d’électrodes textiles pour augmenter la tension, ainsi que la concevoir sous une variété de formes portables.
« La puissance des appareils e-textiles existants repose encore largement sur des facteurs de forme traditionnels tels que les batteries au lithium-polymère et les piles bouton au lithium », ont écrit les chercheurs. « En tant que tels, la plupart des systèmes e-textiles n’utilisent pas une architecture e-textile flexible qui inclut un stockage d’énergie flexible. Le supercondensateur MXene développé dans cette étude comble le vide, fournissant une solution de stockage d’énergie basée sur le textile qui peut alimenter une électronique flexible.
Plus d’information:
Alex Inman et al, Stockage d’énergie portable avec supercondensateurs textiles MXene pour une utilisation dans le monde réel, Journal de chimie des matériaux A (2023). DOI : 10.1039/D2TA08995E