ウェアラブル「バッテリー」：PEDOT-Clに基づくテキスタイルマイクロスーパーキャパシター

どこから見ても、携帯電話からより重要なウェアラブル医療機器まで、エネルギーを必要とする何かを見つめます。 世界中の数十の研究グループが、エネルギーを生成および貯蔵するための新しい方法を求めてブレーンストーミングを行っています。 誰かがプラスチックに焦点を合わせ、誰かが紙の上にいて、誰かが電話を充電する必要があるまで「眠れる森の美女」状態のバクテリアを使うことを提案します。 今日のヒーローは、「ウェアラブルエネルギーキャリア」の概念に対して、より文字通りのアプローチを取ることにしました。 ほぼ何を着ますか？ もちろん服。 ある種の「バッテリー」を導入することは可能であり、見かけほど難しくはありません。 しかし、生地自体をエネルギーキャリアにする方がクールではありませんか？ これらの対話を想像してみてください。「ハニー、私のTシャツからの請求はどこですか？」または「折り返し電話します。さもないと、すぐにジーンズがなくなります」。 さて、大丈夫、冗談から勉強の本質に移りましょう。 科学者はどのようにして「エネルギッシュな」衣服を作成しましたか、彼らの作成はどれほど効果的で、見込みは何ですか？ 答えを探している研究者のレポートに飛び込みます。 行こう



研究の基礎



科学者は、完全で効果的で実用的なコンパクトでポータブルな健康監視デバイス（または他の個人用デバイス）を作成するには、非標準のバッテリーが非常に重要な要素であることに注意します。 この役職の優秀な候補者はMSC（マイクロスーパーキャパシター）です。これは、従来のスーパーキャパシター*とは異なり、非常に小さい可能性があり、これは朗報です。

スーパーキャパシター*は、有機/無機電解質と、電極と電解質の間に二重電気層を備えた電気化学的電荷蓄積デバイスです。

もちろん、そのようなバッテリーの最もキャッチーなマイナスは価格であり、それはほとんど噛みつきます。 しかし、科学者は、技術の発展と、より経済的な材料の使用と大量生産の拡大により減少すると主張しています。 現時点では、紙またはプラスチックに基づいてMSCに多くの注意が払われています。 しかし、テキスタイルは研究者の間でそれほど人気が​​ありません。 主な問題は、MSCの作成に使用される電気化学的ファイバー電極の製造にあります。 しかし、タスクが難しいという事実のために停止するには、私たちの今日のヒーローは行きません。



研究者は、ウェアラブルスーパーキャパシタが持つべき2つの重要な指標、高エネルギー密度と機械的抵抗に注目しています。 しかし、使用する素材は何ですか？ グラフェン、共役ポリマー、MXene、カーボンナノチューブなど、多くのオプションがあります。 繊維に高い電気伝導性を備えた電気化学的に活性な材料を導入することは簡単なことではありません。 テキスタイルMSCの実装のために事前に準備されたテキスタイルに埋め込まれたニッケルと還元グラフェン酸化物は、この点で十分に証明されています。 しかし、このオプションにはまだ実用に十分なエネルギー密度がありません。





PEDOT-Clの化学構造。



この同じ研究で、科学者たちはさらに「エキゾチックな」材料であるPEDOT-Clを使用することに決めました。 別の名前（調音のファンの場合）は、 p型ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン） *です。

p型半導体*は、正孔が主な電荷キャリアである半導体です。 独自の半導体のアクセプターでドーピングすることにより得られます。

真空蒸着によって基板に塗布されたPEDOT-Clのコーティングは、織物上の高度の導電性とかなり安定した電気化学特性を示しています。 このように、科学者は、高エネルギー密度の繊維マイクロスーパーキャパシターを作成することができました。その基礎は、弾性繊維基材とPEDOT-Clスプレーによる導電性糸です。



ここで、このユニークな創造物の詳細をさらに深く掘り下げます。



材料ベースの準備



最初に、p型のP-POT-Clフィルムをステンレス鋼ベースに適用する必要がありました。 モノマーは3,4-エチレンジオキシチオフェン（EDOT）であり、FeCl ₃ 、鉄（III）が酸化剤として機能しました。 EDOTを90°Cに加熱した後、Swagelok SS-4JBニードルバルブを使用して、4分の1回転開いてモノマーをアルゴン含有チャンバーに入れました。





カメラの概略図。



チャンバー内の圧力は300±10 mTorrで、温度は120°Cでした。 これらのパラメータは、フィルムを基板に適用する手順全体を通して維持されました。 適用された膜の厚さと堆積速度（2 mm / s）は、FeCl3酸化剤の蒸発速度によって制御されました。FeCl3酸化剤は、チャンバー内にある石英微量天秤を使用して測定されました。 所望の膜厚が得られたら、塗布プロセスを停止しましたが、温度が60度に下がるまでチャンバーは気密のままでした。 精製のために、得られたフィルムをメタノールに15分間入れた。





PEDOT-Clを適用する前後のスレッドの外観。



本格的な固体MSCを作成するために、1グラムのポリビニルアルコールを10グラムのH ₂ SO ₄溶液にゆっくりと導入することによって作られたポリマーゲル電解質_{を使用しました} 。 次に、混合物を90℃に加熱し、2時間撹拌した。 次に、得られた混合物を電極に適用し、乾燥させた。



調査結果





PEDOT-Clおよびエネルギー分散型X線分光法を適用する前後のスレッドのSEM画像（下の行）。



いわば、1つのアプローチで、約32フィート（9.7536 m）のスレッドを作成できます。 科学者によると、非常に多くの必要な高エネルギー密度を得るための主な問題は、電子材料の不十分な接着（接着）または厚膜の最適化されていない形態であり、イオン移動のプロセスを非常に困難にします。 実際、糸が太ければ厚いほど良くなりますが、遠くに行けば悪化するだけです。



この研究では、塗布方法そのものである真空蒸着がこの問題の解決に役立ちました。 ベースとしてのステンレス鋼の使用もプラスでした。この材料は、その構造により（上の写真をご覧ください）、PEDOT-Clフィルムとの接着面積が大きいためです。







上の画像は、0.5 M Na ₂ SO ₄または0.5 MH ₂ SO _4で 3電極電解セルを使用して得られたサイクリックボルタモグラムの結果を示しています。 長さ1 cmのPEDOT-Clコーティングが施されたスレッドが作用電極として機能し、補助電極：インジケータ電極としてプラチナ、参照電極として塩化銀（Ag / AgCl）を使用しました。



Na ₂ SO ₄でスキャン（5 mV / s）すると、15 mF / cm（センチメートルあたりミリファラッド）の電気容量が達成され、H ₂ SO 4-12 mF / cmで達成されます。 科学者は、スキャン自体が指標に与える影響は重要ではないと考えています。 そのため、100 mV / sのスキャン速度では、両方の電解質の性能が8.5 mF / cmのレベルまで低下します。







ここでは、テキスタイルMSCを作成するプロセスを示しています（上の画像）。 非常に重要な点は、電極ピン間の距離を最小化することです（研究では「電極指」と呼ばれるため、ピンと呼びましょう）。 これは、最小のデバイスで使用するために必要であり、イオン伝導性の長さを減らし、蓄積電荷の可能な量を増やすために必要です。 この距離を最小にする問題は、繊維が非常に「ふわふわ」していることです。 つまり、ステンレス鋼の糸は滑らかではありません。 糸上の小さな繊維が異なる方向にくっついて、隣接する繊維に触れると、短絡が発生します。 この問題を解決する方法は簡単ですが、効果的ですか？ もちろん、ストレッチ素材を使用してください。 最初に、布地を「絞って」MSCで縫い、その後ファスナーを外し、布地を自然な状態にします。 素材（生地）のステッチでさえも恩恵を受け、一種の「目」として機能します。 6つの電極間の距離は常に同じです-2針。 各電極は、PEDOT-Clでコーティングされた2本のストランドで、絡み合って1つのユニットを形成しています。 電極の長さは5 mm、幅は0.6 mm、高さは1.2 mmです。 寸法もランダムではありません。エネルギー密度指数全体に大きな影響を与えるからです。



電極を圧縮した組織に縫い付けた後、PVA / H ₂ SO ₄ゲル電解質を電極に適用します。 それが硬化するまで、基布は平らにされ、したがって電極間に別の追加の障壁を提供し、短絡が発生しないようにします。



MSC画像の下のグラフは、PVA / H ₂ SO ₄ゲル電解質（ s ）およびEMIMBF4電解質（正式名称：1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート）（ d ）を含むテキスタイルMSCのボルタモグラムを示しています。



2 mV / sのスキャン速度では、PVA / H ₂ SO ₄のMSC静電容量は80 mF / cm ²です。 速度を5 mV / sに上げると、60 mF / cm ^2になります。 そして、信じられないほどの300 mV / sでは、静電容量インジケータは26まで低下しますが、安定したままです。



5 mV / sでスキャンしたときのEMIMBF4電解質を使用したMSCは、わずかに低い結果である50 mF / cm ^{2を示しました} 。





機械的ストレスに対する耐性についてサンプルをチェックします（ a 、 b ）。 電気化学抵抗（ s ）。 現在利用可能な最新のMSCとこの研究でテストしたMSCの比較（ d ）。



次に、MSCがいかに困難であるか、MSCがいかに科学者がこのパラメーターをテストしたかを理解する必要があります。



サンプルを90°または180°の角度で曲げたときに定電流充電/放電測定を実行しました。 サンプルもねじって巻き上げました。 言い換えれば、科学者は彼をできる限りsc笑しました、そして、これは正当化されます、それは誰が、例えばこれらのMSCsでTシャツを必要とするので、着用もスーツケースにも入れられないからです。 充電/放電インジケータは、穏やかな状態のサンプルとまったく同じであることが判明しました（機械的な影響なし）。



グラフcは、PVA / H ₂ SO ₄ゲル電解質を使用したMSCの電気化学抵抗測定を示しています。 4000サイクル後、サンプルは初期の電気化学状態（容量）の71％を保持しました。 穏やかな状態で12時間経過すると、サンプル容量インデックスは93％に回復しました。 科学者は同じサイクル数でテストを繰り返しましたが、結果は同じでした（71％、12時間後-93％）。 科学者がすべてを1回チェックしたと思うなら、あなたは間違っています。 このテストは、12の異なるデバイスで3回実施されました。 そして、すべての結果はほぼ同じでした。



科学者は、すでに開発されたMSCとその作成を比較しました。 テキスタイルMSCのバージョンは、柔軟な紙またはプラスチックの前駆体よりも1桁高いエネルギー密度を持っています。 繊維MSCの密度は0.1mW⋅h/ gです。





MSCの珍しい「ロゴ」が描かれたプレーンTシャツ。



この研究の詳細については、 こちら（研究グループの報告書）をご覧になることをお勧めします。



エピローグ



科学者は、彼らの技術には改善が必要であると指摘しています。 主に、異なるデバイスオプションとの互換性の問題が原因です。 マイクロスーパーキャパシタを使用する場合、デバイスのアーキテクチャ、電極の寸法、およびそれらの間の距離は非常に重要です。 したがって、テキスタイルMSCをベースに適用すること、つまり、一方を他方に縫い付けることでさえ、信じられないほどの精度を必要とする非常に骨の折れるプロセスです。 「パターン」のわずかな逸脱は、デバイス全体の動作不能につながる可能性があります。 しかし、これらは、何か新しくてユニークなものを作成する過程で、常に何らかの形で発生する問題です。 科学者たちが「まあ、タコでカマキリを渡そう」と言う理由になってはいけません。 MSC繊維技術には大きな可能性があります。 そして、科学者自身がスマートフォンやiPod（誇張して言えば）にではなく、はるかに重要なウェアラブルデバイス（医療用デバイス）に注意を向けていることは非常に楽しいことです。 はい、現在、たとえば、心拍数を監視するためのブレスレットがあります。 コンパクトで快適です。 しかし、そこで停止する価値はありますか？ そうでなければ、携帯電話で行くとは思いません。携帯電話は、田舎の家にあるテレビよりも大きなアンテナを持っています。 完璧に制限はありません。 そして、科学者が人々と彼らの健康に利益をもたらすものを作りたいなら、それは少なくとも尊重されるべきです。







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