Прототип эластичной ткани

Большинство людей уже знают и ценят возможности смартфонов, а теперь представьте себе возможности, предлагаемые умными скафандрами, униформой и спортивной одеждой. Будущее носимых технологий получило большой импульс благодаря команде исследователей из Университета Хьюстона (UH), которыеспроектировано, разработано и доставленоуспешный прототип полностью растягивающейся литий-ионной батареи на тканевой основе.

Идея этой передовой эволюции литий-ионной батареи пришла в голову Хале Ардебили, профессору машиностроения Билла Д. Кука в UH. «Как большая поклонница научной фантастики, я могла бы представить себе «научно-фантастическое будущее», в котором наша одежда будет умной, интерактивной и мощной», — сказала она. «Это казалось естественным следующим шагом — создание и интеграция растягивающихся батарей с растягивающимися устройствами и одеждой. Представьте себе, что вы складываете, сгибаете или растягиваете свой ноутбук или телефон в кармане. Или использовать интерактивные датчики, встроенные в нашу одежду, которые следят за нашим здоровьем».

Некоторые из этих идей уже становятся реальностью. Однако, как и всей электронике, им нужна энергия, и именно здесь на помощь приходят растягивающиеся и гибкие батареи. Основным узким местом в разработке следующего поколения электроники или носимых технологий, встроенных в ткани, является то, что обычные батареи, как правило, являются жесткими, что ограничивает функциональность. изделий, и в них используется жидкий электролит, что вызывает вопросы безопасности. Традиционные органические жидкие электролиты легко воспламеняются и могут привести к возгоранию или даже взрыву батарей при определенных условиях.

Ключ к прорыву исследовательской группы UH заключается в том, что исследователи использовали проводящую серебряную ткань в качестве платформы и токосъемника.

«Плетеная серебряная ткань идеально подошла для этого, поскольку она механически деформируется или растягивается, но при этом обеспечивает пути электропроводности, необходимые для нормального функционирования электрода батареи. Электрод батареи должен обеспечивать движение как электронов, так и ионов», — сказал Ардебили, который является автором статьи, подробно описывающей это исследование, в журнале Extreme Mechanics Letters. Первым автором статьи является Бахар Моради Гади, бывшая докторантка, которая основала свою диссертацию на этом исследовании.

Преобразуя жесткие электроды литий-ионных аккумуляторов в носимые, тканевые, гибкие и растягивающиеся электроды, эта технология открывает захватывающие возможности, предлагая стабильную работу и более безопасные свойства для носимых устройств и имплантируемых биосенсоров.

Идея создания растягивающихся батарей пришла Ардебили в голову несколько лет назад.

«Мне было интересно понять фундаментальную науку и механизмы, связанные с растяжением электрохимической ячейки и ее компонентов», — сказала она. «Это была неизведанная область науки и техники и прекрасная область для исследований».

Наука о взаимодействии эффектов механической деформации и электрохимических характеристик является важной областью, а растягивающиеся батареи предоставляют отличное средство для изучения фундаментальных механизмов.

Ардебили воплотила свои идеи в заявки на гранты и получила несколько ключевых наград в поддержку своей работы, в том числе пятилетнюю премию Национального научного фонда «КАРЬЕРА» в 2013 году, премию «Новый исследователь» от Консорциума грантов Техасского космического центра НАСА в 2014 году и награду от Исследовательская лаборатория армии США (ARL) в 2017 году.

«Хотя мы создали прототип, мы все еще работаем над оптимизацией конструкции батареи, материалов и изготовления», — сказал Ардебили.

Ардебили надеется, что прототип растягивающейся батареи на основе ткани проложит путь для многих типов приложений, таких как интеллектуальные скафандры, бытовая электроника, встроенная в одежду, которая контролирует здоровье людей, и устройства, которые взаимодействуют с людьми на различных уровнях. Существует множество возможных конструкций и применений безопасных, легких, гибких и растягивающихся батарей, но еще предстоит проделать определенную работу, прежде чем они появятся на рынке.