Учёные разработали литий-ионный аккумулятор в виде сверхдлинного волокна
Ученые из Массачусетского технологического института разработали перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор в виде сверхдлинного волокна. Его можно вплетать ткань и обеспечивает питание различных датчиков и волоконно-оптических электронных устройств. Носимые электронные устройства становятся всё более популярными. Для них требуются соответствующие источники питания. Разработанный учёными аккумулятор предоставляет новые возможности для питания автономных устройств связи, вычислений и считывания. Его можно будет носить в составе обычной одежды, а также использовать в качестве структурных частей.
Фото: MIT
Исследователи представили концепт в виде гибкого волоконно-оптического аккумулятора длиной 140 метров. Это было сделано для демонстрации того, что из материала можно выпускать изделия большой длины. Результаты своей работы они опубликовали здесь. Авторами работы являются Турал Худиев (Tural Khudiyev), Чон Тэ Ли (Jung Tae Lee), Бенджамин Грена (Benjamin Grena). Соавторами стали Йоэль Финк (Yoel Fink), Джу Ли (Ju Li) и Джон Джоаннопулос (John Joannopoulos), а также ещё семь сотрудников Массачусетского технологического института и других организаций.
Исследователи ранее уже демонстрировали волокна, которые подходят встраивания электронных компонентов, светодиодов, фотосенсоров, средств связи и цифровых систем. Многие из этих разработок можно стирать, что делает их подходящими для использования в носимых устройствах. Однако до сих пор эти устройства полагались на внешний источник питания. Теперь для них можно будет использовать волоконный аккумулятор, который также можно мыть и стирать. Благодаря этому, устройства станут полностью автономными.
Разработанный аккумулятор выпускается с использованием аккумуляторных гелей и стандартной системы вытягивания волокна. Сначала вся система с необходимыми компонентами выполняется в виде большого цилиндра. Затем происходит нагрев до температуры немного ниже точки плавления, и материал протягивается через узкое отверстие. В результате все составляющие сжимаются до конечного размера, сохраняя при этом исходное расположение элементов.
Как говорит Худиев, другие исследовательские группы пытались изготовить аккумулятор в форме волокна с использованием основных материалов на его внешней стороне. Они пошли другим путём и разместили литий и прочие материалы электрохимической системы внутри волокна, а сверху находится защитное внешнее покрытие. Получилась стабильная и водонепроницаемая система. Как говорят исследователи, это первая волоконно-оптическая аккумуляторная батарея длиной до километра, которая имеет достаточную прочность для практического применения.
Худиев говорит, что изготовленный прототип длиной 140 метров демонстрирует отсутствие ограничений по длине. Можно изготовить аккумулятор даже длиной в километр. В качестве демонстрационного устройства, использующего новый волоконно-оптический аккумулятор, была выбрана система связи «Li-Fi». В ней для передачи данных используются световые импульсы. В её составе присутствует транзистор, микрофон, диоды, предусилитель и прочие компоненты для установления оптического канала передачи данных между двумя устройствами.
Все активные материалы аккумулятора прекрасно интегрированы внутрь волокна и не меняют своего положения в процессе эксплуатации, говорит Худиев. Отношение длины к ширине этой волоконной аккумуляторной батареи может составлять до миллиона. Это значительно превосходит прочие аналогичные конструкции. Как говорят разработчики, при практическом использовании можно создавать ткани, в которых встроены данные аккумуляторы и электронные системы, которые получают от них питание.
Созданный прототип в виде 140-метрового волокна имеет ёмкость 123 мАч, которой достаточно для заряда «умных» часов или телефона. Толщина аккумулятора составляет несколько сотен микрон. Все полученные до этого образцы аккумуляторные батареи в форме волокна были значительно толще.
Преимущество использованного подхода, говорит Джу Ли, заключается в том, что можно встроить несколько устройств в отдельное волокно. В других подходах требуется интеграция нескольких волоконных устройств. Ученые продемонстрировали интеграцию светодиода и литий-ионной аккумуляторной батареи в одном волокне. Они говорят, что в будущем можно будет объединить в одном волокне три или четыре устройства. По их мнению, можно будет даже создать в одном волокне компактный коммутирующий компьютер.
Помимо отдельных одномерных волокон, которые могут быть сотканы для производства двумерных тканей, разработанный материал можно использовать в технологии 3D-печати. Или для создания твердых объектов в системах нестандартной формы. Например, для оболочек, обеспечивающих структуру устройства и его источник питания. Для демонстрации этой возможности учёные обернули игрушечную подводную лодку аккумуляторном в полученное волокно и обеспечили её энергией. Интеграция источника питания в структуру таких устройств позволяет снизить их общий вес, а также повысить эффективность и длительность работы в автономном режиме.
Худиев сказал, что это первая 3D-печать устройств с волоконно-оптическим аккумулятором. Их разработка первая, которая подходит для создания сложных объектов, включающих аккумулятор, с помощью 3D-печати. После проведения печати не нужно будет ничего добавлять, поскольку все активные материалы находятся внутри волокна. То есть, требуется всего лишь одностадийная 3D-печать. По его словам, теперь вычислительные блоки электронных устройств можно без проблем размещать внутри различных предметов.
Команда ученых уже подала заявку на получение патента на данную технологию и продолжает разрабатывать дальнейшие улучшения, касающиеся мощности аккумулятора и набора материалов, которые можно использовать для повышения эффективности. Худиев отмечает, что такие оптоволоконные аккумуляторы могут быть готовы коммерческому использованию уже в течение нескольких лет.
Проведённые исследования были поддержаны программой MIT MRSEC Национального научного фонда, исследовательской лабораторией армии США через Институт солдатских нанотехнологий, программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда и Национальным исследовательским фондом Кореи.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
