با توجه به محدودیت‌های قابلیت اندازه‌گیری و عملکرد معمول باتری‌های الیافی، دانشمندان باتری‌های الیافی را با طراحی روی هم قرار گرفته مشابه به سلول‌های پاکتی معمولی مهندسی کردند.
۰
تاریخ انتشارشنبه ۵ خرداد ۱۴۰۳ - ۰۸:۴۷
کد مطلب : ۱۶۵۲۶۸
با این الیاف، لباس شما برق تولید می‌کند!
به گزارش آژانس رویدادهای مهم نفت و انرژی "نفت ما"،در تلاش برای توسعه دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی چند منظوره، محققان آزمایشگاه فیزیک کاربردی جانز هاپکینز (APL) در لورل، مریلند، رویکردهای جدید و قابل اندازه‌گیری برای توسعه الیاف مجهز به باتری و انرژی خورشیدی را ایجاد کردند.
این فناوری می‌تواند در لباس‌هایی بافته شود که قابلیت برداشت و ذخیره انرژی الکتریکی را دارد.
با توجه به محدودیت‌های قابلیت اندازه‌گیری و عملکرد معمول باتری‌های الیافی، دانشمندان باتری‌های الیافی را با طراحی روی هم قرار گرفته مشابه به سلول‌های پاکتی معمولی مهندسی کردند.
این رویکرد شامل لایه‌لایه کردن و ماشین‌کاری با لیزر برای طراحی الیاف باتری با عرضی به باریکی 650 تا 700 میکرومتر است.
این الیاف می‌توانند الکترونیک‌های پوشیدنی با کارایی بالا را که مانند پارچه‌های معمولی نفس می‌کشند، کشیده می‌شوند و شسته می‌شوند، تأمین کنند.
این فناوری می‌تواند در لباس‌هایی بافته شود که قابلیت برداشت و ذخیره انرژی الکتریکی را دارد.
با توجه به محدودیت‌های قابلیت اندازه‌گیری و عملکرد معمول باتری‌های الیافی، دانشمندان باتری‌های الیافی را با طراحی روی هم قرار گرفته مشابه به سلول‌های پاکتی معمولی مهندسی کردند.
این رویکرد شامل لایه‌لایه کردن و ماشین‌کاری با لیزر برای طراحی الیاف باتری با عرضی به باریکی 650 تا 700 میکرومتر است.
این الیاف می‌توانند الکترونیک‌های پوشیدنی با کارایی بالا را که مانند پارچه‌های معمولی نفس می‌کشند، کشیده می‌شوند و شسته می‌شوند، تأمین کنند.
لمینیت کردن الکترودهای باتری معمولی برای دستگاه‌های پوشیدنی
کنستانتینوس گراساپولوس، مدیر برنامه کمکی برای فیزیک، مواد و دستگاه‌های الکترونیکی در APL و محقق اصلی این پروژه اظهار داشت: «با تغییر تقاضا برای پارچه‌های الکترونیکی، نیاز به منابع قدرت کوچکتر که قابل استفاده مجدد، بادوام و قابل کشش باشند، وجود دارد.»
او می‌افزاید: «دیدگاه ما توسعه الیاف برداشت کننده انرژی خورشیدی است که می‌توانند نور خورشید را به برق تبدیل کنند و الیاف باتری که می‌توانند برق تولید شده را در پارچه ذخیره کنند.»
کلید این پیشرفت توسعه جداکننده‌های پلی فلوریدین کو-هگزا فلوروپروپیلن(PVDF-HFP) است. این جداکننده‌ها امکان لمینیت کردن الکترودهای باتری معمولی را با استفاده از پرس گرم به گفته این مطالعه فراهم می‌کنند.
نوارهای لمینیت شده سپس با استفاده از لیزر برش داده می‌شوند تا الیاف را تشکیل دهند که به طور موفقیت‌آمیز آزمایش شده‌اند و نشان داده‌اند که چگالی انرژی باتری‌های الیافی می‌تواند تا 0.61 میلی‌وات‌ساعت انرژی را در هر سانتی‌متر طول الیاف ذخیره کند.
باتری‌های الیافی همچنین به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به صورت رول به رول تجهیز شوند. این نشان‌دهنده انحراف از روش‌های قبلی است به دلیل اینکه رویکرد جدید استفاده بهینه از مواد فعال، محتوای کم مواد غیرفعال، مقیاس‌پذیری و سازگاری با تجهیزات متداول صنعت باتری را ارائه می‌دهد.
راشل آلت‌مایر، نویسنده اصلی این مطالعه هم گفت: «ما همیشه با در نظر گرفتن سازگاری با روش رول به رول طراحی می‌کردیم. ما باید بتوانیم تمام فرآیندهای خود را به صورت پیوسته اجرا کنیم، وگرنه چیزی که توسعه می‌دهیم بی‌ربط خواهد بود. این فرآیند می‌تواند در خط تولید موجود قرار گیرد.»
تجهیزات باتری به طور سفارشی به الیاف نازک و مقیاس‌پذیر تبدیل شدند که از فرآیند رول به رول استفاده می‌کردند. در این فرآیند، نوارهای لمینیت شده مسطح از الکترودهای آند و کاتد با یک جداکننده پلیمری به صورت لایه‌ای چیده می‌شوند. سپس این لایه‌ها با لیزر به الیاف نازک برش داده می‌شوند.
جیسون تیفانی، مهندس در APL و یکی از نویسندگان مقاله هم توضیح داد: «ما می‌توانیم ۱۰۰ متر الیاف را در کمی بیش از پنج ساعت فرآوری کنیم. با فرآیند ما، می‌توانیم الیاف را کوچکتر و با چگالی انرژی بیشتر تولید کنیم که می‌تواند فرصت‌های بیشتری برای کاربردهای نساجی باز کند.»
با این حال، الیاف مجهز به انرژی خورشیدی از فناوری سلول خورشیدی معمولی اقتباس شده‌اند که با مونتاژ آن‌ها بر روی بردهای مدار انعطاف‌پذیر انجام شد. سپس این الیاف در پلیمر محصور شده و امکان ادغام در پارچه‌ها را فراهم کردند. علی‌رغم خمیدگی گسترده و قرار گرفتن در معرض نور، این روش اثبات کرده که عملکرد بالا و دوام را ارائه می‌دهد.
او می‌افزاید: «دیدگاه ما توسعه الیاف برداشت کننده انرژی خورشیدی است که می‌توانند نور خورشید را به برق تبدیل کنند و الیاف باتری که می‌توانند برق تولید شده را در پارچه ذخیره کنند.»
کلید این پیشرفت توسعه جداکننده‌های پلی فلوریدین کو-هگزا فلوروپروپیلن(PVDF-HFP) است. این جداکننده‌ها امکان لمینیت کردن الکترودهای باتری معمولی را با استفاده از پرس گرم به گفته این مطالعه فراهم می‌کنند.
نوارهای لمینیت شده سپس با استفاده از لیزر برش داده می‌شوند تا الیاف را تشکیل دهند که به طور موفقیت‌آمیز آزمایش شده‌اند و نشان داده‌اند که چگالی انرژی باتری‌های الیافی می‌تواند تا 0.61 میلی‌وات‌ساعت انرژی را در هر سانتی‌متر طول الیاف ذخیره کند.
باتری‌های الیافی همچنین به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به صورت رول به رول تجهیز شوند. این نشان‌دهنده انحراف از روش‌های قبلی است به دلیل اینکه رویکرد جدید استفاده بهینه از مواد فعال، محتوای کم مواد غیرفعال، مقیاس‌پذیری و سازگاری با تجهیزات متداول صنعت باتری را ارائه می‌دهد.
راشل آلت‌مایر، نویسنده اصلی این مطالعه هم گفت: «ما همیشه با در نظر گرفتن سازگاری با روش رول به رول طراحی می‌کردیم. ما باید بتوانیم تمام فرآیندهای خود را به صورت پیوسته اجرا کنیم، وگرنه چیزی که توسعه می‌دهیم بی‌ربط خواهد بود. این فرآیند می‌تواند در خط تولید موجود قرار گیرد.»
تجهیزات باتری به طور سفارشی به الیاف نازک و مقیاس‌پذیر تبدیل شدند که از فرآیند رول به رول استفاده می‌کردند. در این فرآیند، نوارهای لمینیت شده مسطح از الکترودهای آند و کاتد با یک جداکننده پلیمری به صورت لایه‌ای چیده می‌شوند. سپس این لایه‌ها با لیزر به الیاف نازک برش داده می‌شوند.
جیسون تیفانی، مهندس در APL و یکی از نویسندگان مقاله هم توضیح داد: «ما می‌توانیم ۱۰۰ متر الیاف را در کمی بیش از پنج ساعت فرآوری کنیم. با فرآیند ما، می‌توانیم الیاف را کوچکتر و با چگالی انرژی بیشتر تولید کنیم که می‌تواند فرصت‌های بیشتری برای کاربردهای نساجی باز کند.»
با این حال، الیاف مجهز به انرژی خورشیدی از فناوری سلول خورشیدی معمولی اقتباس شده‌اند که با مونتاژ آن‌ها بر روی بردهای مدار انعطاف‌پذیر انجام شد. سپس این الیاف در پلیمر محصور شده و امکان ادغام در پارچه‌ها را فراهم کردند. علی‌رغم خمیدگی گسترده و قرار گرفتن در معرض نور، این روش اثبات کرده که عملکرد بالا و دوام را ارائه می‌دهد.
