Các nhà nghiên cứu của MIT tạo ra pin sợi quang dẻo dài nhất thế giới
Điểm nổi bật:
Các kỹ sư của MIT đã phát triển một loại pin lithium-ion có thể sạc lại ở dạng sợi cực dài có thể dệt thành vải.
Pin có thể kích hoạt nhiều loại thiết bị điện tử có thể đeo và thậm chí có thể được sử dụng để sản xuất pin in 3D ở hầu hết mọi hình dạng.
Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một loại pin lithium-ion có thể sạc lại ở dạng sợi cực dài có thể dệt thành vải. Pin có thể kích hoạt nhiều loại thiết bị điện tử có thể đeo và thậm chí có thể được sử dụng để sản xuất pin in 3D ở hầu hết mọi hình dạng.
Các nhà nghiên cứu hình dung ra những khả năng mới cho các thiết bị liên lạc, cảm biến và tính toán tự cung cấp năng lượng có thể được mặc như quần áo thông thường, cũng như các thiết bị có pin cũng có thể tăng gấp đôi như các bộ phận cấu trúc.
“Trong một bằng chứng về khái niệm, nhóm nghiên cứu công nghệ pin mới đã sản xuất pin sợi dẻo dài nhất thế giới, dài 140 mét, để chứng minh rằng vật liệu có thể được sản xuất với độ dài tùy ý”, thông cáo chính thức nêu rõ. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Materials Today. MIT postdoc Tural Khudiyev, cựu postdoc MIT Jung Tae Lee, và Benjamin Grena SM ’13, PhD ’17 là những tác giả chính của bài báo.
Các nhà nghiên cứu, bao gồm cả các thành viên của nhóm này, trước đây đã chứng minh sợi chứa nhiều loại linh kiện điện tử, bao gồm điốt phát quang (đèn LED), cảm biến quang, hệ thống liên lạc và kỹ thuật số. Nhiều loại trong số này có thể đeo được và có thể giặt được, khiến chúng trở nên thiết thực để sử dụng trong các sản phẩm có thể đeo được, nhưng tất cả cho đến nay đều phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài. Giờ đây, loại pin sợi quang này, cũng có thể đeo được và có thể giặt được, có thể cho phép các thiết bị như vậy hoàn toàn độc lập.
Pin sợi quang mới được sản xuất bằng cách sử dụng gel pin mới và một hệ thống kéo sợi tiêu chuẩn bắt đầu với một hình trụ lớn hơn chứa tất cả các thành phần và sau đó làm nóng nó đến ngay dưới điểm nóng chảy. Vật liệu được hút qua một lỗ hẹp để nén tất cả các bộ phận xuống một phần nhỏ so với đường kính ban đầu của chúng, trong khi vẫn duy trì tất cả sự sắp xếp ban đầu của các bộ phận.
Pin sợi quang tiếp tục cấp nguồn cho đèn LED ngay cả sau khi cắt một phần cho thấy hệ thống pin sợi quang không bị mất chất điện phân và không bị đoản mạch.
Trong khi những người khác đã cố gắng tạo ra pin ở dạng sợi, Khudiyev nói, chúng được cấu trúc với các vật liệu quan trọng ở bên ngoài sợi, trong khi hệ thống này nhúng lithium và các vật liệu khác bên trong sợi, với một lớp phủ bảo vệ bên ngoài, do đó trực tiếp làm ra nó phiên bản ổn định và không thấm nước. Đây là lần đầu tiên trình diễn một loại pin sợi dài dưới km vừa đủ dài vừa có độ bền cao để có thể ứng dụng trong thực tế, ông nói.
Thực tế là họ có thể tạo ra một pin sợi quang dài 140 mét cho thấy rằng “không có giới hạn trên rõ ràng về độ dài. Chúng tôi chắc chắn có thể thực hiện chiều dài quy mô hàng km, ”anh nói. Một thiết bị trình diễn sử dụng pin sợi quang mới kết hợp hệ thống truyền thông “Li-Fi” - một hệ thống trong đó các xung ánh sáng được sử dụng để truyền dữ liệu và bao gồm micrô, bộ khuếch đại trước, bóng bán dẫn và điốt để thiết lập liên kết dữ liệu quang học giữa hai thiết bị dệt vải.
“Khi chúng tôi nhúng các vật liệu hoạt động vào bên trong sợi quang, điều đó có nghĩa là các thành phần pin nhạy cảm đã được niêm phong tốt,” Khudiyev nói, “và tất cả các vật liệu hoạt động đều được tích hợp rất tốt, vì vậy chúng không thay đổi vị trí của chúng” trong quá trình vẽ tiến trình. Ngoài ra, pin sợi quang tạo ra mỏng hơn và linh hoạt hơn mang lại tỷ lệ khung hình, đó là phần chiều dài trên chiều rộng, lên đến một triệu, vượt xa các thiết kế khác, điều này khiến việc sử dụng thiết bị dệt tiêu chuẩn trở nên thực tế hơn. tạo ra các loại vải kết hợp pin cũng như các hệ thống điện tử.
Pin sợi kéo nhiệt có khả năng chống cháy do các điện cực gel và chất điện phân gel, trong khi pin sợi điều khiển với chất điện phân lỏng ngay lập tức bắt lửa và nở ra.
Ông nói, sợi quang dài 140 mét được sản xuất cho đến nay có khả năng lưu trữ năng lượng là 123 miliamp giờ, có thể sạc đồng hồ thông minh hoặc điện thoại. Thiết bị sợi này chỉ dày vài trăm micron, mỏng hơn bất kỳ nỗ lực sản xuất pin ở dạng sợi nào trước đây.
Lee nói: “Vẻ đẹp của phương pháp tiếp cận của chúng tôi là chúng tôi có thể nhúng nhiều thiết bị vào một sợi quang riêng lẻ,“ không giống như các cách tiếp cận khác cần tích hợp nhiều thiết bị sợi quang ”. Họ đã chứng minh sự tích hợp của đèn LED và pin Li-ion trong một sợi quang duy nhất và ông tin rằng hơn ba hoặc bốn thiết bị có thể được kết hợp trong một không gian nhỏ như vậy trong tương lai. "Khi chúng tôi tích hợp những sợi này có chứa nhiều thiết bị, aggragate sẽ thúc đẩy việc hiện thực hóa một máy tính vải nhỏ gọn."
Ngoài các sợi một chiều riêng lẻ, có thể được dệt để sản xuất vải hai chiều, vật liệu này cũng có thể được sử dụng trong in 3D
hệ thống hình dạng tùy chỉnh để tạo ra các vật thể rắn, chẳng hạn như vỏ bọc có thể cung cấp cả cấu trúc của thiết bị và nguồn điện của nó. Để chứng minh khả năng này, một chiếc tàu ngầm đồ chơi đã được bọc bằng sợi pin để cung cấp năng lượng cho nó. Việc kết hợp nguồn điện vào cấu trúc của các thiết bị như vậy có thể làm giảm trọng lượng tổng thể và do đó cải thiện hiệu suất và phạm vi hoạt động của chúng.
Khudiyev nói: “Đây là lần in 3D đầu tiên của một thiết bị pin sợi quang. Ông nói: “Nếu bạn muốn tạo ra các vật thể phức tạp thông qua in 3D kết hợp thiết bị pin, đây là hệ thống đầu tiên có thể đạt được điều đó. “Sau khi in, bạn không cần phải thêm bất cứ thứ gì khác, bởi vì mọi thứ đã ở bên trong sợi, tất cả các kim loại, tất cả các vật liệu hoạt động. Nó chỉ là một bước in. Đấy là lần đầu tiên."
Điều đó có nghĩa là bây giờ, ông nói, "Các đơn vị tính toán có thể được đặt bên trong các vật thể hàng ngày, bao gồm cả Li-Fi."
Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho quy trình này và tiếp tục phát triển các cải tiến hơn nữa về công suất điện và các biến thể trên vật liệu được sử dụng để nâng cao hiệu quả. Khudiyev cho biết những loại pin sợi quang như vậy có thể sẵn sàng sử dụng trong các sản phẩm thương mại trong vòng vài năm tới.
Martin Winter, giáo sư hóa vật lý tại Đại học Muenster ở Đức, người không tham gia vào công việc này cho biết: “Sự linh hoạt về hình dạng của tế bào pin mới cho phép các thiết kế và ứng dụng chưa từng có trước đây. Anh gọi công việc này là “rất sáng tạo”, ông nói thêm: “Vì hầu hết các công trình học thuật về pin hiện nay đều dựa vào hệ thống lưu trữ điện lưới và xe điện, đây là một sự khác biệt tuyệt vời so với xu hướng chủ đạo”.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi chương trình MIT MRSEC của Quỹ Khoa học Quốc gia, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ thông qua Viện Công nghệ Nano cho Người lính, chương trình nghiên cứu sinh sau đại học của Quỹ Khoa học Quốc gia và Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc.
