Tragbare Textilien erfassen die Energie von Körperbewegungen und leiten sie an Geräte weiter

Aug 04, 2023

5. Juni 2023

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von Tsinghua University Press

Nanowissenschaftler haben ein tragbares Textil entwickelt, das Körperbewegungen in nutzbare Elektrizität umwandeln und diese Energie sogar speichern kann. Der Stoff hat potenziell ein breites Anwendungsspektrum, von der medizinischen Überwachung über die Unterstützung von Sportlern und ihren Trainern bei der Verfolgung ihrer Leistung bis hin zu intelligenten Anzeigen auf Kleidung.

Das für das Textil verantwortliche Forschungsteam beschreibt in einem in Nano Research Energy veröffentlichten Artikel, wie es funktioniert.

Von Smartwatches bis hin zu kabellosen Kopfhörern haben die Menschen bereits Zugang zu einer breiten Palette tragbarer elektronischer Geräte. Eine Reihe von Gesundheits-, Sport- und Aktivitätsmonitoren sind mittlerweile in Smartphones integriert.

Die Genauigkeit solcher Sensoren bleibt jedoch aufgrund der wenigen Stellen am oder in der Nähe des Körpers, an denen sie platziert werden können, begrenzt und im Vergleich zu den Ambitionen vieler Gesundheits- und Sportspezialisten für eine solche Technologie auf ein kleines Anwendungsfenster beschränkt.

Wenn in Zukunft fortschrittliche Stoffe entwickelt werden können, können tragbare elektronische Geräte, die in Hemden, Hosen, Unterwäsche und Hüte integriert sind, möglicherweise Indikatoren für Gebrechlichkeit verfolgen, um das Risiko altersbedingter Krankheiten einzuschätzen, den Cortisolspiegel überwachen, um Stressniveaus zu verfolgen, oder sogar Krankheitserreger im Rahmen eines globalen Pandemie-Überwachungsnetzwerks erkennen.

Um tragbare Elektronik auf die nächste Stufe zu heben und Gesundheitsmonitore, Sportsensoren, Navigationssysteme und Aktivitätstracker auf eine Weise zu integrieren, die leicht, unauffällig und weniger umständlich ist, sind noch einige große Durchbrüche bei fortschrittlichen Textilien erforderlich.

Eine der Herausforderungen bestehender tragbarer Elektronik liegt in der eingeschränkten Flexibilität und damit Tragbarkeit der Komponenten, die die Geräte mit Energie versorgen. Darüber hinaus müssen Energieversorgungseinheiten einfach in die Geräte integrierbar und in Zeiten zunehmenden Umweltbewusstseins nachhaltig sein. Darüber hinaus verfügen bestehende Energiespeichertechnologien über eine sehr begrenzte Kapazität. Batterien und Superkondensatoren können Energie speichern, aber ohne eine externe Stromquelle können sie keine spontane Energie erzeugen.

„Batterien sind auch einfach nicht sehr angenehm zu tragen“, sagte Feifan Sheng, Hauptautor des Papier- und Nanosystemspezialisten am Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. „Daher ist die Entwicklung tragbarer und selbstladender Netzteile von entscheidender Bedeutung.“

Das Team von Nanowissenschaftlern um Professor Dong entwickelte etwas, das sie „Faser-TENG“ nennen, eine flexible, strickbare, tragbare Struktur, die sich den triboelektrischen Effekt zunutze macht, bei dem bestimmte Materialien elektrisch geladen werden, nachdem sie in Reibungskontakt mit einem anderen, anderen Material kommen. Bei der alltäglichen statischen Elektrizität handelt es sich beispielsweise um die kontaktinduzierte Elektrifizierung des tribolelektrischen Effekts.

Das Faser-TENG besteht aus drei Schichten: einer Polymilchsäureschicht (eine Art Polyester, die häufig im 3D-Druck verwendet wird), einer Schicht aus reduziertem Graphenoxid (eine sehr erschwingliche Art von Graphen) und einer Polypyrrolschicht (ein Polymer, das bereits häufig in verwendet wird). Elektronik und Medizin).

Wenn die Faser-TENG durch die Person, die ein aus dem Textil gestricktes Kleidungsstück trägt, einer mechanischen Verformung ausgesetzt wird, beispielsweise Biegen oder Strecken, können die triboelektrischen Ladungen, die durch den Kontakt zwischen der Polymilchsäure und den reduzierten Graphenoxidschichten erzeugt werden, gesammelt werden Polypyrrolschicht. Dieser Prozess erzeugt eine elektrische Leistung, die als Stromerzeugungseinheit genutzt werden kann.

Der Schlüssel zur Entwicklung der Faser-TENG war ein neuartiges Verfahren zur Vorbereitung der Graphenoxidfaser für den Einsatz in einem koaxialen faserförmigen Superkondensator (Faser-SC) – dem in das Textil integrierten Energiespeicher. Eine koaxiale Struktur sorgt für große Stabilität beim Biegen und Verdrehen.

Bei diesem Prozess werden die aktiven Materialien (die elektrische Energie speichern und abgeben können) auf die Oberfläche von Fasern aus reduziertem Graphenoxid (rGO) aufgebracht. Zunächst stellten die Forscher die rGO-Fasern durch Anwendung von Jodwasserstoffsäure her. Anschließend tragen sie zwei aktive Materialien, Mangandioxid (MnO2) und Polypyrrol (PPy), auf die Oberfläche der rGO-Fasern auf, indem sie einen Prozess namens Elektroabscheidung anwenden – eine Methode, bei der ein Material durch Anlegen eines elektrischen Stroms auf einer Oberfläche abgeschieden wird.

Dadurch entstand ein negatives Elektrodenmaterial namens rGO-PPy-MnO2, das im Faser-SC verwendet wird. Anschließend wurde ein positives Elektrodenmaterial hergestellt, indem mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) gleichmäßig mit Polyvinylalkohol und Phosphorsäureelektrolyt auf der Oberfläche des rGO-PPy-MnO2 beschichtet wurden.

Beim Testen ihres Faser-TENG-Textils stellten die Forscher fest, dass es eine hohe Energiedichte und lange Stabilität über Lade- und Entladezyklen aufweist, was sein Versprechen bei der Bereitstellung tragbarer Energieerzeugung und -speicherung untermauert.

Das Team möchte nun mit der Erforschung möglicher Einsatzmöglichkeiten seiner Textilien in realen Anwendungen beginnen. Dazu müssen sie den Design- und Herstellungsprozess des Power-Textils optimieren und seine Leistung unter verschiedenen Bedingungen untersuchen sowie einen skalierbaren Herstellungsprozess entwickeln, der in kommerziellen Betrieben außerhalb des Labors anwendbar ist.

Mehr Informationen: Feifan Sheng et al., Tragbare Hybridtextilien zur Energiegewinnung und -speicherung als selbstaufladende Energiesysteme am Körper, Nano Research Energy (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120079

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