Selvoplader, ultratynd enhed, der genererer elektricitet fra luftfugtighed

Forestil dig at være i stand til at generere elektricitet ved at udnytte fugten i luften omkring dig med bare hverdagsting som havsalt og et stykke stof, eller endda forsyne hverdagens elektronik med et ikke-giftigt batteri, der er så tyndt som papir. Et team af forskere fra National University of Singapores (NUS) College of Design and Engineering (CDE) har udviklet en ny fugtdrevet elektricitetsgenerering (MEG) enhed lavet af et tyndt lag stof - omkring 0,3 millimeter (mm) i tykkelse — havsalt, kulstofblæk og en speciel vandabsorberende gel.

Konceptet med MEG-enheder er bygget på forskellige materialers evne til at generere elektricitet fra samspillet med fugt i luften. Dette område har fået stigende interesse på grund af dets potentiale for en bred vifte af applikationer fra den virkelige verden, herunder selvdrevne enheder såsom bærbar elektronik som sundhedsmonitorer, elektroniske hudsensorer og informationslagringsenheder.

Nøgleudfordringer ved nuværende MEG-teknologier omfatter vandmætning af enheden, når den udsættes for omgivende luftfugtighed og utilfredsstillende elektrisk ydeevne. Den elektricitet, der genereres af konventionelle MEG-enheder, er således utilstrækkelig til at drive elektriske enheder og er heller ikke bæredygtig.

For at overvinde disse udfordringer har et forskerhold ledet af adjunkt Tan Swee Ching fra Institut for Materialevidenskab og Teknik under CDE udtænkt en ny MEG-enhed, der indeholder to regioner med forskellige egenskaber for hele tiden at opretholde en forskel i vandindholdet på tværs af regionerne for at generere elektricitet og tillade elektrisk udgang i hundredvis af timer.

Dette teknologiske gennembrud blev offentliggjort i den trykte version af det videnskabelige tidsskrift Advanced Materials den 26. maj 2022.

Langtidsholdbart, selvoplader stofbaseret "batteri"

NUS-teamets MEG-enhed består af et tyndt lag stof, som var belagt med kulstofnanopartikler. I deres undersøgelse brugte holdet et kommercielt tilgængeligt stof lavet af træmasse og polyester.

En region af stoffet er belagt med en hygroskopisk ionisk hydrogel, og denne region er kendt som den våde region. Den specielle vandabsorberende gel er fremstillet ved hjælp af havsalt og kan absorbere mere end seks gange sin oprindelige vægt, og den bruges til at høste fugt fra luften.

"Havsalt blev valgt som den vandabsorberende forbindelse på grund af dets ikke-toksiske egenskaber og dets potentiale til at give afsaltningsanlæg en bæredygtig mulighed for at bortskaffe det genererede havsalt og saltlage," fortalte Asst Prof Tan.

Den anden ende af stoffet er det tørre område, som ikke indeholder et hygroskopisk ionisk hydrogellag. Dette er for at sikre, at dette område holdes tørt, og at vandet er begrænset til det våde område.

Når først MEG-enheden er samlet, genereres elektricitet, når ioner af havsalt adskilles, efterhånden som vand absorberes i det våde område. Frie ioner med positiv ladning (kationer) absorberes af kulstofnanopartiklerne, som er negativt ladede. Dette forårsager ændringer i stoffets overflade, hvilket genererer et elektrisk felt på tværs af det. Disse ændringer i overfladen giver også stoffet mulighed for at lagre elektricitet til senere brug.

Ved at bruge et unikt design af våd-tørre områder var NUS-forskere i stand til at opretholde et højt vandindhold i den våde region og lavt vandindhold i den tørre region. Dette vil opretholde elektrisk output, selv når det våde område er mættet med vand. Efter at have været efterladt i et åbent fugtigt miljø i 30 dage, blev vandet stadig holdt i det våde område, hvilket demonstrerer enhedens effektivitet til at opretholde elektrisk output.

"Med denne unikke asymmetriske struktur er den elektriske ydeevne af vores MEG-enhed væsentligt forbedret i sammenligning med tidligere MEG-teknologier, hvilket gør det muligt at drive mange almindelige elektroniske enheder, såsom sundhedsmonitorer og bærbar elektronik," forklarede Asst. Prof. Tan.

Holdets MEG-enhed demonstrerede også høj fleksibilitet og var i stand til at modstå stress fra vridning, rulning og bøjning. Interessant nok blev dens enestående fleksibilitet vist af forskerne ved at folde stoffet ind i en origami-kran, hvilket ikke påvirkede enhedens overordnede elektriske ydeevne.

Bærbar strømforsyning og mere

MEG-enheden har umiddelbare anvendelser på grund af dens lette skalerbarhed og kommercielt tilgængelige råmaterialer. En af de mest umiddelbare applikationer er til brug som en bærbar strømkilde til mobil strømforsyning af elektronik direkte af den omgivende luftfugtighed.

"Efter vandabsorption kan et stykke strømgenererende stof, der er 1,5 gange 2 centimeter i størrelse, levere op til 0,7 volt (V) elektricitet i over 150 timer under et konstant miljø," sagde forskerteammedlem Dr. Zhang Yaoxin.

NUS-teamet har også med succes demonstreret skalerbarheden af ​​deres nye enhed til at generere elektricitet til forskellige applikationer. NUS-teamet forbandt tre stykker af det strømgenererende stof sammen og placerede dem i et 3D-printet etui, der var på størrelse med et standard AA-batteri. Spændingen på den samlede enhed blev testet til at nå så højt som 1,96V – højere end et kommercielt AA-batteri på omkring 1,5V – hvilket er nok til at drive små elektroniske enheder såsom et vækkeur.

Skalerbarheden af ​​NUS-opfindelsen, bekvemmeligheden ved at opnå kommercielt tilgængelige råmaterialer samt de lave fremstillingsomkostninger på omkring $0,15 pr. kvadratmeter gør MEG-enheden velegnet til masseproduktion.

"Vores enhed udviser fremragende skalerbarhed til lave fremstillingsomkostninger. Sammenlignet med andre MEG-strukturer og -enheder er vores opfindelse enklere og nemmere til opskalering af integrationer og forbindelser. Vi mener, at den har et stort løfte for kommercialisering," delte Asst. Prof. Tan.

Forskerne har indgivet patent på teknologien og planlægger at udforske potentielle kommercialiseringsstrategier til anvendelser i den virkelige verden. + Udforsk yderligere

Nyt 'stof' konverterer bevægelse til elektricitet