Исследователи создали самую длинную в мире гибкую волоконно-оптическую батарею

Исследователи разработали перезаряжаемую литий-ионную батарею в виде сверхдлинного волокна, которое можно вплетать в ткань.

Батарея может использоваться для самых разных носимых электронных устройств и даже может быть использована для изготовления аккумуляторов, напечатанных на 3D-принтере, практически любой формы.

Исследователи видят новые возможности для автономных устройств связи, считывания и вычислений, которые можно было бы носить как обычную одежду, а также устройств, батареи которых также можно было бы использовать в качестве структурных частей.

В качестве доказательства концепции команда разработчиков новой аккумуляторной технологии произвела самую длинную в мире гибкую волоконно-оптическую батарею, длиной 140 метров, чтобы продемонстрировать, что из этого материала можно производить произвольно большие длины.

Работа описана в журнале Materials Today.

Исследователи, в том числе члены этой группы, ранее продемонстрировали волокна, которые содержат широкий спектр электронных компонентов, включая светоизлучающие диоды (светодиоды), фотосенсоры, средства связи и цифровые системы.

Многие из них можно ткать и стирать, что делает их практичными для использования в носимых устройствах, но все они до сих пор полагались на внешний источник питания. Теперь эта волоконная батарея, которую также можно ткать и мыть, может позволить таким устройствам быть полностью автономными.

Новая волоконная батарея производится с использованием новых аккумуляторных гелей и стандартной системы вытягивания волокна, которая начинается с большого цилиндра, содержащего все компоненты, а затем нагревается до температуры чуть ниже точки плавления.

Материал протягивается через узкое отверстие, чтобы сжать все детали до доли от их первоначального диаметра, сохраняя при этом все исходное расположение деталей.

По словам Худиева, в то время как другие пытались изготавливать батареи в форме волокна, они были структурированы с использованием основных материалов на внешней стороне волокна, тогда как эта система включает литий и другие материалы внутри волокна с защитным внешним покрытием, таким образом, непосредственно делая это. версия стабильная и водонепроницаемая.

По его словам, это первая демонстрация волоконно-оптической батареи длиной менее километра, которая является достаточно длинной и очень прочной для практического применения.

Тот факт, что им удалось сделать 140-метровую оптоволоконную батарею, показывает, что «нет очевидного верхнего предела для длины. Мы определенно могли бы сделать километраж », – говорит он.

Демонстрационное устройство, использующее новую волоконно-оптическую батарею, включало в себя систему связи «Li-Fi», в которой для передачи данных используются световые импульсы, и включало микрофон, предусилитель, транзистор и диоды для установления оптического канала передачи данных между два устройства тканого полотна.

«Когда мы внедряем активные материалы внутрь волокна, это означает, что чувствительные компоненты батареи уже имеют хорошее уплотнение, – говорит Худиев, – и все активные материалы очень хорошо интегрированы, поэтому они не меняют своего положения» во время рисования. процесс.

Кроме того, полученная в результате волоконная батарея намного тоньше и гибче, обеспечивая соотношение сторон, то есть отношение длины к ширине, до миллиона, что намного превосходит другие конструкции, что делает практичным использование стандартного ткацкого оборудования для создавать ткани, в которых встроены как батарейки, так и электронные системы.

По его словам, произведенное на сегодняшний день 140-метровое волокно имеет емкость накопителя энергии в 123 миллиампер-часа, с помощью которой можно заряжать умные часы или телефоны. Волоконное устройство имеет толщину всего несколько сотен микрон, что тоньше, чем все предыдущие попытки производства батарей в форме волокна.

«Прелесть нашего подхода в том, что мы можем встроить несколько устройств в отдельное волокно, – говорит Ли, – в отличие от других подходов, которые требуют интеграции нескольких оптоволоконных устройств».

Они продемонстрировали интеграцию светодиода и литий-ионного аккумулятора в одном волокне, и он считает, что в будущем в таком небольшом пространстве можно будет объединить более трех или четырех устройств. «Когда мы интегрируем эти волокна, содержащие несколько устройств, агрегат продвинет вперед создание компактного тканевого компьютера».

В дополнение к отдельным одномерным волокнам, которые могут быть сотканы для производства двухмерных тканей, этот материал также можно использовать в 3D-печати или системах нестандартной формы для создания твердых объектов, таких как оболочки, которые могут обеспечивать как структуру устройство и его источник питания.

Чтобы продемонстрировать эту возможность, игрушечную подводную лодку обернули аккумуляторным волокном, чтобы обеспечить ее энергией. Включение источника питания в структуру таких устройств может снизить общий вес и, таким образом, повысить эффективность и дальность действия, которых они могут достичь.

«Это первая 3D-печать устройства с волоконно-оптической батареей», – говорит Худиев. «Если вы хотите создавать сложные объекты» с помощью 3D-печати, которые включают в себя аккумулятор, – говорит он, – это первая система, которая может этого достичь.

«После печати вам не нужно ничего добавлять, потому что все уже находится внутри волокна, все металлы, все активные материалы. Это всего лишь одностадийная печать. Это впервые ».

Это означает, что теперь, по его словам, «вычислительные блоки можно размещать внутри повседневных предметов, включая Li-Fi».

Команда уже подала заявку на патент на процесс и продолжает разработку дальнейших улучшений в мощности и вариаций материалов, используемых для повышения эффективности. Худиев говорит, что такие оптоволоконные батареи могут быть готовы к использованию в коммерческих продуктах в течение нескольких лет.

«Гибкость формы нового аккумуляторного элемента позволяет создавать конструкции и применять их, которые раньше были невозможны», – говорит Мартин Винтер, профессор физической химии в Университете Мюнстера в Германии, который не принимал участия в этой работе.

Называя эту работу «очень креативной», он добавляет: «Поскольку в большинстве академических работ по батареям сейчас рассматриваются сетевые накопители и электромобили, это замечательное отклонение от мейнстрима».

Автор Дэвид Л. Чендлер.