Недавний релиз Google Glass и скорый выпуск Apple iWatch можно назвать признаком того, что носимые устройства в будущем обретут популярность. Но, несмотря на то что они напичканы передовыми технологиями, начиная от головных мониторов и заканчивая биометрическими датчиками, наибольшей помехой для развития носимых технологий является батарея.
Она должна быть не только маленькой и легкой, но и достаточно мощной, чтобы удовлетворять все запросы устройств.
Авторы исследования, опубликованного в Nano Letters, Вей Вэн (Wei Weng) и его коллеги из Фуданьского университета (Китай) принялись за решение этой энергетической проблемы, разработав и изготовив нить с углеродной нанотрубкой, которая вплетается в хлопковую нить, для создания высокоэффективной литиево-ионной батареи. Волокна, диаметр которых около 1 мм, можно вплетать в гибкие текстильные изделия или одежду, а так же в гибкие части носимой электроники.
«Источник питания, который можно вмонтировать непосредственно в носимые устройства, просто необходим. Источник энергии в форме волокон очень для этого подходит, так как он обладает гибкостью и легко вплетается в ткань. Мы впервые создаем литиево-ионный аккумулятор на базе волокон нанотрубок, волоконная батарея может быть легко сплетена в энерго-ткань с высокой производительностью», – говорит Вэн.
Несмотря на то, что это первый опыт создания такой батареи, она обладает высокой энергоемкостью (0,75 мВт. Ч /см), и способностью удерживать 87% емкости после 100 циклов.
Одна из самых больших сложностей, возникших при создании батареи, это проблема расширений кремния. Во время химических реакций, происходящих при зарядке/разрядке, кремний изменяет свой объем до 300%. Чтобы справится с этим, исследователи ввели в состав углеродные нанотрубки, и получили нить-анод. Нанотрубки эффективно амортизируют увеличение объема кремния и зажимают его. Без такой гибридной структуры, расширение кремния приводило бы к повреждению батареи.
В качестве катода, исследователи использовали нанотрубки и литий магния, преимуществами которого являются стабильность, высокое рабочее напряжение и низкая цена. Обмотав хлопковую нить анодом и катодом на базе нанотрубок, и разделив их гелевым электролитом для получения литиево-ионной батареи, а затем, вплетя ее в ткань, исследователи продемонстрировали возможность изготовления литиево-ионных батарей на базе углеволокна.
Ранее уже предпринимались попытки создать суперконденсаторное волокно, однако литиево-ионным батареям не уделили должного внимания в связи со сложным производством. Однако они обладают определенными преимуществами, такими как высокая энергоемкость и низкий коэффициент саморазрядки в сравнении с суперконденсаторами, таким образом, они больше подходят для носимых устройств. Как объясняет Вэн, текущая работа продолжает предыдущее исследование, однако еще есть куда совершенствоваться.
«Литиево-ионная батарея похожей формы (по типу кабеля) была предложена еще в 2012 году. В ней в качестве скелета использовался медный провод. Результат был превосходный, однако такая батарея не подходит для вплетения в энерго-ткань. Диаметр такой батареи слишком велик, в ней используется жидкий электролит и она слишком тяжелая. Мы же использовали в качестве скелета углеродное волокно, чья плотность в 9 раз меньше чем у меди, а использование геля гарантирует безопасность. Композитный анод и катод, выполненный из углеволокна и активных материалов, позволяет уменьшить диаметр в 10 раз по сравнению с кабелем. Таким образом, наша волоконная батарея сравнима с полимерным волокном, из которого изготавливается одежда, и обладает высокими эксплуатационными данными», – говорит он.
В будущем исследователи планируют улучшить свою волоконную батарею для применения в различных сферах.
«Во-первых, мы хотим улучшить производительность, а именно вместимость и количество циклов. Во-вторых, мы хотим запустить крупномасштабное производство. И, в-третьих, мы хотим комбинировать некоторые свойства, такие как растяжимость, способность менять цвет и самозарядку», – говорит Вен.