Materialeforskere skaber stofalternativer til batterier til bærbare enheder

En væsentlig faktor, der holder udviklingen af ​​bærbare biosensorer til sundhedsovervågning tilbage, er manglen på en letvægts, langtidsholdbar strømforsyning. Nu rapporterer forskere ved University of Massachusetts Amherst ledet af materialekemikeren Trisha L. Andrew, at de har udviklet en metode til at lave et ladningsopbevarende system, der nemt kan integreres i tøj til "brodering af et ladningsopbevarende mønster på ethvert tøj."

Som Andrew forklarer, "Batterier eller andre former for opladningslagring er stadig de begrænsende komponenter for de fleste bærbare, bærbar, indtagelige eller fleksible teknologier. Enhederne har en tendens til at være en kombination af for store, for tung og ikke fleksibel."

Deres nye metode bruger en mikro-superkondensator og kombinerer dampbelagte ledende tråde med en polymerfilm, plus en speciel syteknik til at skabe et fleksibelt net af justerede elektroder på en tekstilbagside. Den resulterende solid-state-enhed har en høj evne til at opbevare ladning for dens størrelse, og andre egenskaber, der gør det muligt at drive bærbare biosensorer.

Andrew tilføjer, at mens forskere har bemærkelsesværdigt miniaturiseret mange forskellige elektroniske kredsløbskomponenter, indtil nu kunne det samme ikke siges om enheder til opladning. "Med dette papir, vi viser, at vi bogstaveligt talt kan brodere et ladningsopbevarende mønster på ethvert tøj ved hjælp af de dampbelagte tråde, som vores laboratorium fremstiller. Dette åbner døren for blot at sy kredsløb på selvdrevne smarte tøj." Detaljer vises online i ACS Anvendte materialer og grænseflader .

Andrew og postdoc-forsker og førsteforfatter Lushuai Zhang, plus kemiingeniørstuderende Wesley Viola, påpege, at superkondensatorer er ideelle kandidater til bærbare ladningslagringskredsløb, fordi de i sagens natur har højere effekttætheder sammenlignet med batterier.

Men "at inkorporere elektrokemisk aktive materialer med høj elektrisk ledningsevne og hurtig iontransport i tekstiler er udfordrende, " tilføjer de. Andrew og kolleger viser, at deres dampbelægningsproces skaber porøse ledende polymerfilm på tæt snoede garner, som let kan svulme op med elektrolytioner og opretholde høj ladningsopbevaringskapacitet pr. længdeenhed sammenlignet med tidligere arbejde med farvede eller ekstruderede fibre.

Andrew, der leder Wearable Electronics Lab på UMass Amherst, bemærker, at tekstilforskere har haft en tendens til ikke at bruge dampaflejring på grund af tekniske vanskeligheder og høje omkostninger; men for nylig, forskning har vist, at teknologien kan skaleres op og forblive omkostningseffektiv.

Hun og hendes team arbejder i øjeblikket sammen med andre på UMass Amherst Institute for Applied Life Sciences' Personalized Health Monitoring Center om at inkorporere de nye broderede opladningsopbevaringssystemer med e-tekstilsensorer og laveffektmikroprocessorer for at bygge smarte beklædningsgenstande, der kan overvåge en personens gang og ledbevægelser gennem en normal dag.