Концепция устройств MEG основана на способности различных материалов генерировать электричество при взаимодействии с влагой в воздухе. Эта область вызывает растущий интерес из-за ее потенциала для широкого спектра реальных применений, включая устройства с автономным питанием, такие как носимая электроника, такая как мониторы состояния здоровья, электронные датчики кожи и устройства хранения информации.

Ключевые проблемы современных технологий МЭГ включают насыщение устройства водой при воздействии влажности окружающей среды и неудовлетворительные электрические характеристики. Таким образом, электроэнергии, вырабатываемой обычными устройствами МЭГ, недостаточно для питания электрических устройств, а также она не является устойчивой.

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследовательская группа, возглавляемая доцентом Танем Суи Чингом из департамента материаловедения и инженерии CDE, разработала новое устройство MEG, содержащее две области с различными свойствами, чтобы постоянно поддерживать разницу в содержании воды в разных регионах для выработки электроэнергии и обеспечения электрической мощности в течение сотен часов.

Этот технологический прорыв был опубликован в печатной версии научного журнала Передовые материалы 26 мая 2022 года.

Долговечный, самозаряжающийся тканевый "аккумулятор"

Устройство MEG команды NUS состоит из тонкого слоя ткани, который был покрыт углеродными наночастицами. В своем исследовании команда использовала имеющуюся в продаже ткань, изготовленную из древесной массы и полиэстера.

Одна область ткани покрыта гигроскопичным ионным гидрогелем, и эта область известна как влажная область. Изготовленный с использованием морской соли, специальный водопоглощающий гель может поглощать более чем в шесть раз больше своего первоначального веса и используется для сбора влаги из воздуха.

"Морская соль была выбрана в качестве водопоглощающего соединения из-за ее нетоксичных свойств и ее потенциала обеспечить устойчивый вариант для опреснительных установок по утилизации образующейся морской соли и рассола", - поделился профессор Тан.

Другой конец ткани - это сухая область, которая не содержит гигроскопичного слоя ионного гидрогеля. Это делается для того, чтобы эта область оставалась сухой, а вода ограничивалась влажной областью.

Как только устройство MEG собрано, электричество вырабатывается, когда ионы морской соли отделяются по мере поглощения воды во влажной области. Свободные ионы с положительным зарядом (катионы) поглощаются углеродными наночастицами, которые заряжены отрицательно. Это вызывает изменения на поверхности ткани, создавая поперек нее электрическое поле. Эти изменения поверхности также дают ткани возможность накапливать электричество для последующего использования.

Используя уникальный дизайн влажно-сухих регионов, исследователи NUS смогли поддерживать высокое содержание воды во влажном регионе и низкое содержание воды в сухом регионе. Это позволит поддерживать электрическую мощность даже тогда, когда влажная область насыщена водой. После пребывания в открытой влажной среде в течение 30 дней вода все еще сохранялась во влажной области, демонстрируя эффективность устройства в поддержании электрической мощности.

"Благодаря этой уникальной асимметричной структуре электрические характеристики нашего устройства MEG значительно улучшены по сравнению с предыдущими технологиями MEG, что позволяет питать многие распространенные электронные устройства, такие как мониторы здоровья и носимая электроника", - пояснил профессор Asst Тан.

Разработанное командой устройство MEG также продемонстрировало высокую гибкость и было способно выдерживать нагрузки от скручивания, прокатки и изгиба. Интересно, что исследователи продемонстрировали его выдающуюся гибкость, сложив ткань в виде журавлика оригами, что не повлияло на общие электрические характеристики устройства.

Портативный источник питания и многое другое

Устройство MEG находит немедленное применение благодаря простоте масштабирования и коммерчески доступному сырью. Одним из наиболее непосредственных применений является использование в качестве портативного источника питания для мобильной электроники, питающейся непосредственно от влажности окружающей среды.

"После поглощения воды один кусок генерирующей энергию ткани размером 1,5 на 2 сантиметра может обеспечивать электроэнергией до 0,7 Вольт (В) в течение более 150 часов при постоянной окружающей среде", - сказал член исследовательской группы доктор Чжан Яосинь.

Команда NUS также успешно продемонстрировала масштабируемость своего нового устройства для выработки электроэнергии для различных применений. Команда NUS соединила три части генерирующей энергию ткани вместе и поместила их в напечатанный на 3D-принтере корпус размером со стандартную батарейку типа АА. Напряжение собранного устройства было протестировано на уровне 1,96 В - выше, чем у коммерческой батареи типа АА примерно на 1,5 В, - чего достаточно для питания небольших электронных устройств, таких как будильник.

Масштабируемость изобретения NUS, удобство получения коммерчески доступного сырья, а также низкая стоимость изготовления около 0,15 шведских долларов за квадратный метр делают устройство MEG пригодным для массового производства.

"Наше устройство демонстрирует отличную масштабируемость при низкой стоимости изготовления. По сравнению с другими структурами и устройствами MEG, наше изобретение проще и облегчает масштабирование интеграций и подключений. Мы считаем, что это имеет огромные перспективы для коммерциализации", - поделился профессор Asst Тан.

Исследователи подали заявку на патент на технологию и планируют изучить потенциальные стратегии коммерциализации для реальных применений.

Видео: https://youtu.be/8WOh-trN9cw