Materialwissenschaftler entwickeln Gewebealternative zu Batterien für tragbare Geräte

Ein wesentlicher Faktor, der die Entwicklung von tragbaren Biosensoren für die Gesundheitsüberwachung behindert, ist das Fehlen einer leichten, langlebigen Stromversorgung. Jetzt berichten Wissenschaftler der University of Massachusetts Amherst unter der Leitung der Materialchemikerin Trisha L. Andrew, dass sie eine Methode zur Herstellung eines Ladungsspeichersystems entwickelt haben, das sich leicht in die Kleidung integrieren lässt, um „ein Ladungsspeichermuster auf jedes Kleidungsstück zu sticken“.

Andrew erklärt: „Batterien oder andere Arten der Ladungsspeicherung sind immer noch die limitierenden Komponenten für die meisten tragbaren, tragbaren, tragbaren, einnehmbaren oder flexiblen Technologien. Die Geräte sind in der Regel eine Kombination aus zu groß, zu schwer und nicht flexibel.“

Das neue Verfahren verwendet einen Mikro-Superkondensator und kombiniert dampfbeschichtete leitfähige Fäden mit einer Polymerfolie sowie einer speziellen Nähtechnik, um ein flexibles Netz aus ausgerichteten Elektroden auf einem textilen Träger zu erzeugen. Die resultierende Festkörper-Vorrichtung hat eine hohe Fähigkeit, Ladung für ihre Größe zu speichern, und andere Eigenschaften, die es ihr ermöglichen, tragbare Biosensoren mit Strom zu versorgen.

Andrew fügt hinzu, dass die Forscher zwar viele verschiedene elektronische Schaltungskomponenten bemerkenswert miniaturisiert haben, aber bisher nicht dasselbe für Ladungsspeichergeräte gesagt werden konnte. „Mit diesem Papier zeigen wir, dass wir mit den dampfbeschichteten Fäden, die unser Labor herstellt, buchstäblich ein Ladungsspeichermuster auf jedes Kleidungsstück aufbringen können. Das öffnet die Tür für das einfache Nähen von Schaltkreisen an selbstversorgenden Smart Garments.“ Details finden Sie online in ACS Applied Materials & Interfaces.

Andrew und Postdoc und Erstautor Lushuai Zhang sowie der Dipl.-Ing. für Chemieingenieurwesen Wesley Viola weisen darauf hin, dass Superkondensatoren ideale Kandidaten für tragbare Ladungsspeicherschaltungen sind, da sie von Natur aus höhere Leistungsdichten als Batterien aufweisen.

Aber „die Einarbeitung elektrochemisch aktiver Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und schnellem Ionentransport in Textilien ist eine Herausforderung“, so die Experten. Andrew und Kollegen zeigen, dass ihr Dampfbeschichtungsverfahren poröse leitfähige Polymerfilme auf dicht verdrillten Garnen erzeugt, die sich leicht mit Elektrolytionen anschwellen lassen und eine hohe Ladungsspeicherkapazität pro Längeneinheit im Vergleich zu früheren Arbeiten mit gefärbten oder extrudierten Fasern aufweisen.

Andrew, der das Wearable Electronics Lab bei UMass Amherst leitet, stellt fest, dass Textilwissenschaftler aufgrund technischer Schwierigkeiten und hoher Kosten eher nicht auf Dampfabscheidung setzen, aber in jüngster Zeit hat die Forschung gezeigt, dass die Technologie skalierbar und kostengünstig bleibt.

Sie und ihr Team arbeiten derzeit mit anderen am Personalized Health Monitoring Center des UMass Amherst Institute for Applied Life Sciences zusammen, um die neuen bestickten Ladungsspeicher-Arrays mit E-Textilsensoren und Kleinleistungs-Mikroprozessoren zu integrieren und intelligente Kleidungsstücke herzustellen, die den Gang und die Bewegungen der Gelenke einer Person während eines normalen Tages überwachen können.

Mehr Informationen:
Lushuai Zhang et al, High Energy Density, Super-Deformierbar, Garment-Integrierte Mikrosupercaps zur Versorgung von Wearable Electronics, ACS Applied Materials & Interfaces (2018). DOI: 10.1021/acsami.8b08408

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