Thiết bị siêu mỏng tự sạc, tạo ra điện từ độ ẩm không khí
bởi Đại học Quốc gia Singapore
Giáo sư Tan Swee Ching (giữa) cùng với Tiến sĩ Zhang Yaoxin (trái) và Ông Qu Hao (phải) đã phát triển một loại vải tự sạc tạo ra điện từ độ ẩm không khí. Ảnh: Đại học Quốc gia Singapore
Hãy tưởng tượng bạn có thể tạo ra điện bằng cách khai thác độ ẩm trong không khí xung quanh bạn chỉ với những vật dụng hàng ngày như muối biển và một mảnh vải, hoặc thậm chí cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử hàng ngày bằng một loại pin không độc hại mỏng như tờ giấy. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trường Cao đẳng Thiết kế và Kỹ thuật (CDE) của Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát triển một thiết bị tạo điện điều khiển bằng hơi ẩm (MEG) mới được làm bằng một lớp vải mỏng - độ dày khoảng 0,3 mm (mm) - muối biển, mực cacbon và một loại gel hút nước đặc biệt.
Khái niệm về thiết bị MEG được xây dựng dựa trên khả năng của các vật liệu khác nhau để tạo ra điện từ sự tương tác với độ ẩm trong không khí. Lĩnh vực này ngày càng nhận được sự quan tâm do tiềm năng của nó cho một loạt các ứng dụng trong thế giới thực, bao gồm các thiết bị tự cung cấp năng lượng như thiết bị điện tử đeo được như máy theo dõi sức khỏe, cảm biến da điện tử và thiết bị lưu trữ thông tin.
Những thách thức chính của công nghệ MEG hiện tại bao gồm độ bão hòa nước của thiết bị khi tiếp xúc với độ ẩm xung quanh và hiệu suất điện không đạt yêu cầu. Do đó, điện năng được tạo ra bởi các thiết bị MEG thông thường không đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện và cũng không bền vững.
Để vượt qua những thách thức này, một nhóm nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Tan Swee Ching từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu thuộc CDE đã phát minh ra một thiết bị MEG mới có chứa hai vùng có tính chất khác nhau để duy trì vĩnh viễn sự khác biệt về hàm lượng nước giữa các vùng để tạo ra điện. và cho phép phát điện trong hàng trăm giờ.
Bước đột phá công nghệ này đã được công bố trên bản in của tạp chí khoa học Advanced Materials vào ngày 26 tháng 5 năm 2022.
'Pin' dựa trên vải tự sạc, bền lâu
Thiết bị MEG của nhóm NUS bao gồm một lớp vải mỏng được phủ bằng các hạt nano carbon. Trong nghiên cứu của mình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loại vải có bán trên thị trường làm từ bột gỗ và polyester.
Thiết bị phát điện điều khiển độ ẩm mới do các nhà nghiên cứu của NUS phát minh đã tận dụng sự khác biệt về độ ẩm của vùng khô và ướt của vải phủ carbon để tạo ra dòng điện. Muối biển được sử dụng như một chất hút ẩm cho vùng ẩm ướt. Ảnh: Đại học Quốc gia Singapore
Một vùng của vải được phủ một lớp hydrogel ion hút ẩm và vùng này được gọi là vùng ẩm ướt. Được tạo ra từ muối biển, gel hấp thụ nước đặc biệt có thể hấp thụ gấp sáu lần trọng lượng ban đầu của nó và nó được sử dụng để hút ẩm từ không khí.
Giáo sư Tan chia sẻ: “Muối biển được chọn làm hợp chất hấp thụ nước do đặc tính không độc hại và tiềm năng cung cấp một lựa chọn bền vững cho các nhà máy khử muối để xử lý muối biển và nước muối tạo ra.
Đầu kia của vải là vùng khô không chứa lớp hydrogel ion hút ẩm. Điều này nhằm đảm bảo rằng vùng này được giữ khô ráo và nước được giới hạn trong vùng ẩm ướt.
Khi thiết bị MEG được lắp ráp, điện được tạo ra khi các ion muối biển được tách ra khi nước được hấp thụ trong vùng ẩm ướt. Các ion tự do mang điện tích dương (cation) được hấp thụ bởi các hạt nano cacbon mang điện tích âm. Điều này gây ra những thay đổi đối với bề mặt của vải, tạo ra một điện trường trên nó. Những thay đổi này trên bề mặt cũng giúp vải có khả năng lưu trữ điện để sử dụng sau này.
Sử dụng thiết kế độc đáo của các vùng khô-ướt, các nhà nghiên cứu của NUS đã có thể duy trì hàm lượng nước cao ở vùng ẩm ướt và hàm lượng nước thấp ở vùng khô. Điều này sẽ duy trì sản lượng điện ngay cả khi khu vực ẩm ướt đã bão hòa với nước. Sau khi để trong môi trường ẩm ướt trong 30 ngày, nước vẫn được duy trì trong khu vực ẩm ướt chứng tỏ hiệu quả của thiết bị trong việc duy trì sản lượng điện.
Asst giải thích: “Với cấu trúc bất đối xứng độc đáo này, hiệu suất điện của thiết bị MEG của chúng tôi được cải thiện đáng kể so với các công nghệ MEG trước đây, do đó có thể cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử thông thường, chẳng hạn như máy theo dõi sức khỏe và thiết bị điện tử đeo được. GS Tan.
Thiết bị MEG của nhóm cũng thể hiện tính linh hoạt cao và có thể chịu được căng thẳng do xoắn, lăn và uốn cong. Điều thú vị là tính linh hoạt vượt trội của nó đã được các nhà nghiên cứu thể hiện bằng cách gấp vải thành một con hạc origami mà không ảnh hưởng đến hiệu suất điện tổng thể của thiết bị.
Cung cấp điện di động và hơn thế nữa
Thiết bị MEG có các ứng dụng ngay lập tức do khả năng mở rộng dễ dàng và nguyên liệu thô có sẵn trên thị trường. Một trong những
ứng dụng trung gian được sử dụng như một nguồn điện di động cho các thiết bị điện tử cấp nguồn trực tiếp bởi độ ẩm xung quanh.
Tiến sĩ Zhang Yaoxin, thành viên nhóm nghiên cứu cho biết: “Sau khi hấp thụ nước, một mảnh vải tạo ra năng lượng có kích thước 1,5 x 2 cm có thể cung cấp tới 0,7 vôn (V) trong hơn 150 giờ trong môi trường không đổi.
Nhóm NUS cũng đã chứng minh thành công khả năng mở rộng của thiết bị mới trong việc tạo ra điện cho các ứng dụng khác nhau. Nhóm NUS đã kết nối ba mảnh vải tạo ra năng lượng với nhau và đặt chúng vào một hộp in 3D có kích thước bằng một pin AA tiêu chuẩn. Điện áp của thiết bị lắp ráp đã được thử nghiệm đạt mức cao tới 1,96V - cao hơn pin AA thương mại khoảng 1,5V - đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ như đồng hồ báo thức.
Khả năng mở rộng của phát minh NUS, sự thuận tiện trong việc lấy nguyên liệu thô có sẵn trên thị trường cũng như chi phí chế tạo thấp khoảng 0,15 đô la cho mỗi mét vuông khiến thiết bị MEG phù hợp để sản xuất hàng loạt.
Asst chia sẻ: "Thiết bị của chúng tôi cho thấy khả năng mở rộng tuyệt vời với chi phí chế tạo thấp. So với các cấu trúc và thiết bị MEG khác, phát minh của chúng tôi đơn giản hơn và dễ dàng hơn trong việc mở rộng quy mô tích hợp và kết nối. Chúng tôi tin rằng nó hứa hẹn nhiều khả năng thương mại hóa". GS Tan.
Các nhà nghiên cứu đã nộp bằng sáng chế cho công nghệ này và đang có kế hoạch khám phá các chiến lược thương mại hóa tiềm năng cho các ứng dụng trong thế giới thực.
