Los investigadores de la Universidad de Drexel están un paso más cerca de hacer realidad la tecnología textil portátil. Recientemente publicado en el Journal of Material’s Chemistry A de la Royal Society of Chemistry, los científicos de materiales de la Facultad de Ingeniería de Drexel, en asociación con un equipo de Accenture Labs, han informado sobre un nuevo diseño de un parche de supercondensador portátil flexible. Utiliza MXene, un material descubierto en la Universidad de Drexel en 2011, para crear un supercondensador basado en textiles que puede cargarse en minutos y alimentar un sensor de temperatura del microcontrolador Arduino y la comunicación de datos por radio durante casi dos horas.

« Este es un desarrollo significativo para la tecnología portátil », dijo Yury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y profesor de Bachillerato en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien fue coautor del estudio. « Para integrar completamente la tecnología en la tela, también debemos poder integrar sin problemas su fuente de energía : nuestra invención muestra el camino a seguir para los dispositivos textiles de almacenamiento de energía ».

Coautor junto con los estudiantes de pregrado y posdoctorado de Gogotsi; Genevieve Dion, profesora y directora del Centro de Tejidos Funcionales e investigadores de Accenture Labs en California, el estudio se basa en investigaciones anteriores que analizaron la durabilidad, la conductividad eléctrica y la capacidad de almacenamiento de energía de los textiles funcionalizados con MXene que no impulsaron la optimización del textil. para alimentar la electrónica más allá de los dispositivos pasivos como las luces LED. El último trabajo muestra que no solo puede soportar los rigores de ser un textil, sino que también puede almacenar y entregar suficiente energía para hacer funcionar la electrónica programable que recopila y transmite datos ambientales durante horas, un progreso que podría posicionarlo para su uso en tecnología de atención médica..

« Si bien existen muchos materiales que se pueden integrar en los textiles, MXene tiene una clara ventaja sobre otros materiales debido a su conductividad natural y su capacidad para dispersarse en agua como una solución coloidal estable. Esto significa que los textiles se pueden recubrir fácilmente con MXene sin usando aditivos químicos, y pasos de producción adicionales, para lograr que el MXene se adhiera a la tela », dijo Tetiana Hryhorchuk, investigadora doctoral en la universidad y coautora. « Como resultado, nuestro supercondensador mostró una alta densidad de energía y permitió aplicaciones funcionales, como alimentar la electrónica programable, que se necesita para implementar el almacenamiento de energía basado en textiles en las aplicaciones de la vida real ».

Los investigadores de Drexel han estado explorando la posibilidad de adaptar MXene, un nanomaterial conductor bidimensional, como un recubrimiento que puede imbuir una amplia gama de materiales con propiedades excepcionales de conductividad, durabilidad, impermeabilidad a la radiación electromagnética y almacenamiento de energía.

Recientemente, el equipo ha buscado formas de usar hilo conductor MXene para crear textiles que detecten y respondan a la temperatura, el movimiento y la presión. Pero para integrar completamente estos dispositivos de tela como « vestibles », los investigadores también necesitaban encontrar una manera de entretejer una fuente de energía en la mezcla.

« Hasta ahora, las plataformas de almacenamiento de energía flexibles, estirables y verdaderamente de grado textil han permanecido ausentes en la mayoría de los sistemas textiles electrónicos debido a las métricas de rendimiento insuficientes de los materiales y tecnologías disponibles actualmente », escribió el equipo de investigación. « Estudios anteriores informaron suficiente resistencia mecánica para resistir el tejido industrial. Sin embargo, la aplicación demostrada solo incluía dispositivos simples ».

El equipo se propuso diseñar su parche de supercondensador textil MXene con el objetivo de maximizar la capacidad de almacenamiento de energía usando una cantidad mínima de material activo y ocupando la menor cantidad de espacio, para reducir el costo total de producción y preservar la flexibilidad y la portabilidad de la prenda

Para crear el supercondensador, el equipo simplemente sumergió pequeñas muestras de tejido de algodón en una solución de MXene y luego las colocó en capas sobre un gel electrolítico de cloruro de litio. Cada celda de supercondensador consta de dos capas de tejido recubierto de MXene con un separador de electrolitos también hecho de tejido de algodón. Para hacer un parche con suficiente energía para hacer funcionar algunos dispositivos útiles (microcontroladores programables Arduino, en este caso), el equipo apiló cinco celdas para crear un paquete de energía capaz de cargar a 6 voltios, la misma cantidad que las baterías rectangulares más grandes que se usan a menudo. para alimentar carros de golf, linternas eléctricas o para arrancar vehículos.

« Llegamos a la configuración optimizada de una pila de cinco celdas recubiertas por inmersión con un área de 25 centímetros cuadrados para producir la carga eléctrica necesaria para alimentar dispositivos programables », dijo Alex Inman, investigador de doctorado en la Facultad de Ingeniería, y coautor del artículo. « También sellamos al vacío las células para evitar la degradación del rendimiento. Este enfoque de empaquetado podría aplicarse a productos comerciales ».

El supercondensador textil de mejor rendimiento alimentó un microcontrolador Arduino Pro Mini de 3,3 V que pudo transmitir la temperatura de forma inalámbrica cada 30 segundos durante 96 minutos. Y mantuvo este nivel de desempeño consistentemente por más de 20 días.

dijo Gogotsi.

El equipo de investigación señala que esta es una de las salidas de potencia total más altas registradas para un dispositivo de energía textil, pero aún puede mejorar. A medida que continúen desarrollando la tecnología, probarán diferentes electrolitos y configuraciones de electrodos textiles para aumentar el voltaje, además de diseñarlo en una variedad de formas portátiles.

« La energía para los dispositivos textiles electrónicos existentes todavía depende en gran medida de factores de forma tradicionales como las baterías de litio de polímero de litio y de celda de moneda », escribieron los investigadores. « Como tal, la mayoría de los sistemas textiles electrónicos no utilizan una arquitectura textil electrónica flexible que incluya almacenamiento de energía flexible. El supercondensador MXene desarrollado en este estudio llena el vacío, proporcionando una solución de almacenamiento de energía basada en textiles que puede alimentar la electrónica flexible ».

Vídeo : https://youtu.be/YbH83h3NdkM