Thiết kế miếng dán siêu tụ điện dựa trên vải dệt

Nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Kỹ thuật Drexel (Mỹ) đang tiến bộ trong việc làm cho công nghệ dệt có thể đeo được trở thành hiện thực.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A. Các nhà khoa học vật liệu từ Trường Đại học Kỹ thuật Drexel đã hợp tác với Phòng thí nghiệm Accenture và phát triển thành công miếng dán siêu tụ điện linh hoạt có thể đeo được.

Nhóm sử dụng MXene - một vật liệu được thiết kế tại Trường Đại học Drexel vào năm 2011. Từ đó, tạo ra một siêu tụ điện dựa trên vải dệt có thể sạc trong vài phút. Thiết bị này có thể cung cấp năng lượng cho cảm biến nhiệt độ của vi điều khiển Arduino và truyền dữ liệu vô tuyến trong gần hai giờ.

Để tạo ra siêu tụ điện, nhóm nghiên cứu nhúng các mẫu vải dệt vào dung dịch MXene.

Tiến sĩ Yury Gogotsi tại Trường Đại học Kỹ thuật Drexel, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Đây là một bước phát triển quan trọng đối với công nghệ thiết bị đeo. Để tích hợp hoàn toàn công nghệ vào vải, chúng tôi cũng phải có khả năng tích hợp liền mạch nguồn năng lượng của nó”.

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên việc xem xét độ bền, độ dẫn điện và khả năng lưu trữ năng lượng của vật liệu dệt. Công trình mới cho thấy, thiết bị có thể chịu được sự khắc nghiệt của vải dệt. Đồng thời, có khả năng lưu trữ và cung cấp đủ năng lượng để chạy các thiết bị điện tử có thể lập trình trong nhiều giờ.

“Mặc dù có nhiều vật liệu có thể được tích hợp vào vải dệt, nhưng MXene có lợi thế khác biệt so với các vật liệu khác. Bởi, nó có tính dẫn điện tự nhiên và khả năng phân tán trong nước ổn định. Điều này có nghĩa là vải dệt có thể dễ dàng được phủ bằng MXene mà không cần chất hóa học và bước sản xuất bổ sung”, các nhà nghiên cứu cho biết.

Để tích hợp đầy đủ các thiết bị bằng vải này dưới dạng “đeo được”, nhóm nghiên cứu đã tìm cách kết hợp nguồn điện vào hỗn hợp. Họ đã thiết kế miếng dán siêu tụ điện dệt MXene với mục tiêu tối đa hóa khả năng lưu trữ năng lượng.

Trong khi đó, sử dụng lượng vật liệu hoạt tính tối thiểu và chiếm ít không gian nhất. Từ đó, nhằm giảm tổng chi phí sản xuất và duy trì tính linh hoạt cũng như khả năng đeo của thiết bị.

Để tạo ra siêu tụ điện, nhóm nghiên cứu nhúng các mẫu vải dệt vào dung dịch MXene. Sau đó xếp lớp trên gel điện phân lithium clorua. Mỗi tế bào siêu tụ điện bao gồm hai lớp vải dệt phủ MXene với bộ phân tách chất điện phân làm bằng vải bông.

Nhóm đã tạo ra siêu tụ điện dệt hiệu suất tốt nhất cung cấp năng lượng cho bộ vi điều khiển Arduino Pro Mini 3.3V, với khả năng truyền nhiệt độ không dây cứ sau 30 giây trong 96 phút. Nó duy trì mức hiệu suất này một cách nhất quán trong hơn 20 ngày.

Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng, đây là một trong những tổng công suất đầu ra cao nhất từng được ghi nhận đối với thiết bị năng lượng dệt. Tuy nhiên, thiết bị vẫn cần được cải thiện.