Новое носимое устройство питания на основе гидрогеля выдерживает 8000 изгибов, сохраняя при этом стабильную электрическую мощность.
Китайские исследователи разработали полностью эластичный генератор, работающий на энергии влаги и предназначенный для поддержания работоспособности носимой электроники даже при многократном сгибании и растяжении.
Команда из Харбинского технологического института заявила, что устройство преодолевает одну из самых больших проблем, стоящих перед генераторами влаги и электричества на основе гидрогеля, — слабую адгезию между гидрогелем и электродными слоями. Плохое сцепление часто приводит к нестабильному электрическому выходу и механическим поломкам при деформации.
Гидрогелевые генераторы электроэнергии на основе влаги привлекают все большее внимание, поскольку они способны преобразовывать влагу из окружающей среды в электричество, оставаясь при этом мягкими и гибкими. Такие системы изучаются для носимой электроники, имплантируемых устройств и технологий мониторинга здоровья, требующих легких и непрерывных источников питания.
Однако многие существующие системы с трудом поддерживают стабильную выходную мощность после многократного растяжения, скручивания или изгиба. Исследователи заявили, что слабое межфазное взаимодействие между гидрогелем и электродами часто увеличивает сопротивление и вызывает расслоение слоев, ограничивая как электрические характеристики, так и долговременную долговечность.
Растяжка без потери эффективности
Для решения этой проблемы исследователи разработали высокоадгезивный гидрогель, который укрепляет границу раздела между функциональными слоями и электродами. Гидрогель был набухшим в водно-глицериновом растворителе и интегрирован с жидким металлом и эластичными серебряными электродами для создания генератора.
Согласно исследованию, добавление глицерина привело к обнажению большего количества групп, образующих водородные связи внутри гидрогеля, что увеличило количество точек контакта между гидрогелем и электродами. Это улучшило адгезию, а также снизило межфазное сопротивление, способствуя более эффективному перемещению ионов через устройство под нагрузкой.
Исследователи также обнаружили, что глицерин повышает устойчивость гидрогеля к высыханию, замораживанию и набуханию, обеспечивая длительную стабильную работу в различных условиях окружающей среды.
Для проверки работоспособности системы команда использовала как эксперименты, так и моделирование. Они сообщили, что адгезивный гидрогель снижает межфазное сопротивление и повышает эффективность переноса ионов по сравнению с традиционными структурами.
Используя моделирование методом AIMD и расчеты методом DFT, исследователи дополнительно подтвердили, что усиленный интерфейс гидрогель-электрод обеспечивает более быструю миграцию ионов и снижает энергетический барьер для движения ионов.
Создано для носимых устройств
По данным исследователей, устройство достигло выходного напряжения, превышающего 0,94 вольта, и плотности тока в 141 микроампер на квадратный сантиметр. Команда заявила, что электрический выход оставался стабильным даже при многократной деформации системы.
Генератор также продемонстрировал высокую механическую прочность. После 1040 циклов растяжения система продолжала стабильно работать. Даже после 8000 циклов изгиба под углом 180 градусов исследователи отметили незначительное снижение производительности.
Исследователи полагают, что эта технология может использоваться в носимой электронике, нуждающейся в гибких и стабильных источниках энергии во время повседневных движений. В числе потенциальных применений, упомянутых в исследовании, — системы мониторинга дыхания и автономные датчики здоровья.
По словам исследователей, стабилизация границы раздела гидрогель-электрод предлагает более широкую стратегию повышения надежности в мягких электронных системах, где механическое напряжение часто ухудшает их характеристики с течением времени. Такой подход также может помочь в разработке гибких энергетических устройств, способных работать в сложных условиях окружающей среды и механических воздействиях.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano-Micro Letters.
Sourse: interestingengineering.com
