Ngày 18 tháng 2024 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Sự ra đời của công nghệ thiết bị đeo đã kéo theo nhu cầu cấp thiết về các giải pháp lưu trữ năng lượng có thể bắt kịp với tính linh hoạt và khả năng co giãn của các thiết bị điện tử mềm. Pin cứng thông thường và siêu tụ điện đã được chứng minh là không đủ khả năng tích hợp liền mạch vào các thiết bị đeo phải phù hợp với cơ thể con người và chịu được áp lực sử dụng hàng ngày. Sự không phù hợp giữa lưu trữ năng lượng và tính linh hoạt của thiết bị đã cản trở sự tiến bộ trong các lĩnh vực như theo dõi sức khỏe, dệt may thông minh và cấy ghép y sinh. Siêu tụ điện siêu nhỏ (MSC) đã nổi lên như một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ năng lượng có thể biến dạng nhờ mật độ năng lượng cao, khả năng sạc nhanh và tuổi thọ dài. Tuy nhiên, việc tạo ra các mẫu điện cực đan xen phức tạp cần thiết cho MSC hiệu suất cao bằng cách sử dụng vật liệu có thể chịu được lực kéo và xoắn lặp đi lặp lại đã chứng tỏ là một thách thức. Trong khi các nhà nghiên cứu đã có những bước tiến trong việc tăng cường tính linh hoạt thông qua các chất nền đàn hồi và tạo khuôn sáng tạo, thì nhiều phương pháp tiếp cận đòi hỏi chế tạo phức tạp và vẫn thất bại khi bị biến dạng quá mức. Giờ đây, một nỗ lực nghiên cứu hợp tác do Tiến sĩ Chanwoo Yang từ Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc và Giáo sư dẫn đầu Jin Kon Kim từ Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang, đã mang lại một giải pháp tiềm năng. Trong bài báo của họ được xuất bản trong npj Điện tử linh hoạt (“Siêu tụ điện siêu nhỏ có thể biến dạng được chế tạo thông qua quá trình cắt bỏ bằng laser trên graphene/kim loại lỏng”), nhóm nghiên cứu mô tả chi tiết việc chế tạo vật liệu có khả năng biến dạng cao graphene MSC dựa trên việc sử dụng kim loại lỏng bộ thu dòng điện trên nền polyme đàn hồi.
a Minh họa một hệ thống tích hợp bao gồm thành phần lưu trữ năng lượng và điện tử mềm. b Quá trình chế tạo MSC dựa trên EGaIn. c Phổ UV-vis của SEBS, EGaIn và graphene. Ảnh FE-SEM của phương pháp cắt đốt bằng laser d Graphene/EGaIn và e EGaIn (Thanh tỷ lệ = 200 µm). Những bức ảnh của f logo của viện, g logo bị biến dạng, và h một đèn LED được kết nối với mạch MSC (Thanh tỷ lệ = 1 cm). (Hình ảnh: © npj Linh hoạt Điện tử) Cải tiến quan trọng nằm ở việc sử dụng eutectic gali-indium (EGaIn), một hợp kim kim loại lỏng, làm bộ thu dòng điện. Kim giải thích với Nanowerk: “Để triển khai một MSC có thể biến dạng, cần có một bộ thu dòng có thể biến dạng. “Tuy nhiên, các bộ thu dòng thường được sử dụng đều được làm bằng vật liệu giòn như vàng (Au). Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã chọn 'kim loại lỏng' vốn sở hữu các đặc tính của chất lỏng và độ dẫn kim loại.” Quá trình chế tạo bắt đầu bằng việc phủ một màng mỏng EGaIn lên chất nền styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) có thể co giãn, sau đó là lắng đọng một lớp graphene để làm vật liệu điện cực hoạt động. Các nhà nghiên cứu đã loại bỏ có chọn lọc graphene và EGaIn để thu được mẫu đan xen bằng cách sử dụng tia laser, khai thác khả năng hấp thụ tia laser mạnh của các vật liệu này so với SEBS trong suốt. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận cường độ tia laser, chúng đạt được khuôn mẫu chính xác mà không làm hỏng lớp nền đàn hồi bên dưới. Việc lựa chọn vật liệu chứng tỏ rất quan trọng cho sự thành công của phương pháp này. Kim lưu ý: “Chúng tôi đã thành công trong việc tạo khuôn cho kim loại lỏng bằng cách tận dụng khả năng hấp thụ bước sóng laser tuyệt vời của nó”. “Hơn nữa, bằng cách điều chỉnh cường độ của tia laser, chúng tôi đã ngăn ngừa được sự hư hại đối với chất nền do nhiệt gây ra bởi tia laser, trong khi cả graphene và kim loại lỏng đều bị tia laser cắt bỏ”. Chất nền SEBS, không hấp thụ bước sóng laser, có thể chịu được nhiệt sinh ra trong quá trình cắt bỏ, cho phép tạo ra các mẫu có độ phân giải cao với khoảng cách điện cực nhỏ tới 90 µm. Các MSC thu được có hiệu suất ấn tượng, đạt được điện dung diện tích lên tới 1336 µF cm-2 trong khi vẫn duy trì khả năng tỷ lệ tốt. Điều quan trọng là các thiết bị không bị suy giảm đáng kể dưới các biến dạng cơ học khác nhau, bao gồm gấp, nhăn, xoắn và giãn, ngay cả sau 1000 chu kỳ biến dạng. Kim nhấn mạnh: “MSC sử dụng bộ thu dòng kim loại lỏng cho thấy không có sự thay đổi nào về hiệu suất lưu trữ năng lượng dưới các biến dạng cơ học khác nhau và thậm chí sau các biến dạng lặp đi lặp lại,” Kim nhấn mạnh, đồng thời nhấn mạnh tiềm năng của các thiết bị này trong việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử linh hoạt và có thể đeo được. Để chứng minh tiềm năng thực tế của MSC, các nhà nghiên cứu đã tích hợp một loạt thiết bị với điốt phát sáng để tạo ra một hệ thống chiếu sáng có thể co giãn. Hệ thống duy trì hoạt động ổn định trong điều kiện uốn, xoắn và kéo căng nghiêm trọng, thể hiện khả năng cung cấp năng lượng đáng tin cậy cho các thiết bị điện tử có thể biến dạng của MSC. Nhìn về phía trước, Kim và Yang nhận thấy còn cơ hội để cải tiến hơn nữa và có những khả năng thú vị cho các ứng dụng trong tương lai. Họ lưu ý: “Trong lĩnh vực MSC, việc đồng thời đạt được mật độ năng lượng cao và độ biến dạng cao vẫn là một thách thức đáng kể”. “Điều này là do, trong quá trình biến dạng cơ học, không chỉ bề mặt tiếp xúc giữa bộ thu dòng điện và vật liệu hoạt động cần được duy trì tốt mà mật độ năng lượng của chính vật liệu hoạt động cũng phải tăng lên. Vì vậy, vấn đề này cần được giải quyết.” Mặc dù cần thực hiện thêm công việc để nâng cao độ bền cơ học của chất điện phân dạng gel được sử dụng trong các MSC này, nhưng việc sử dụng các điện cực kim loại lỏng có hoa văn bằng laser là một bước tiến đáng kể trong việc phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng thực sự có thể biến dạng. Khi các công nghệ thiết bị đeo tiếp tục phát triển, những đổi mới như thế này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng các thiết bị của chúng ta có thể thích ứng với nhu cầu của lối sống năng động của chúng ta. Từ quần áo thông minh theo dõi sức khỏe của chúng ta đến các thiết bị cấy ghép y sinh có thể uốn cong theo cơ thể chúng ta, tương lai của thiết bị điện tử đeo trên người sẽ dựa vào các hệ thống lưu trữ năng lượng không chỉ nhỏ gọn, mạnh mẽ mà còn linh hoạt như chúng ta. Với sự kết hợp độc đáo giữa dây dẫn kim loại lỏng, chất nền đàn hồi và hiệu suất điện hóa cao, MSC dựa trên graphene mang đến cái nhìn thú vị về tương lai đó, mở rộng ranh giới của những gì có thể có trong bộ lưu trữ năng lượng có thể đeo được. Khi nghiên cứu trong lĩnh vực này tiến triển, chúng ta có thể mong đợi một thế hệ thiết bị đeo mới có thể tích hợp liền mạch với cuộc sống của chúng ta, được hỗ trợ bởi các giải pháp lưu trữ năng lượng có thể biến dạng mà không bao giờ cản trở chúng ta.
a Minh họa một hệ thống tích hợp bao gồm thành phần lưu trữ năng lượng và điện tử mềm. b Quá trình chế tạo MSC dựa trên EGaIn. c Phổ UV-vis của SEBS, EGaIn và graphene. Ảnh FE-SEM của phương pháp cắt đốt bằng laser d Graphene/EGaIn và e EGaIn (Thanh tỷ lệ = 200 µm). Những bức ảnh của f logo của viện, g logo bị biến dạng, và h một đèn LED được kết nối với mạch MSC (Thanh tỷ lệ = 1 cm). (Hình ảnh: © npj Linh hoạt Điện tử) Cải tiến quan trọng nằm ở việc sử dụng eutectic gali-indium (EGaIn), một hợp kim kim loại lỏng, làm bộ thu dòng điện. Kim giải thích với Nanowerk: “Để triển khai một MSC có thể biến dạng, cần có một bộ thu dòng có thể biến dạng. “Tuy nhiên, các bộ thu dòng thường được sử dụng đều được làm bằng vật liệu giòn như vàng (Au). Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã chọn 'kim loại lỏng' vốn sở hữu các đặc tính của chất lỏng và độ dẫn kim loại.” Quá trình chế tạo bắt đầu bằng việc phủ một màng mỏng EGaIn lên chất nền styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) có thể co giãn, sau đó là lắng đọng một lớp graphene để làm vật liệu điện cực hoạt động. Các nhà nghiên cứu đã loại bỏ có chọn lọc graphene và EGaIn để thu được mẫu đan xen bằng cách sử dụng tia laser, khai thác khả năng hấp thụ tia laser mạnh của các vật liệu này so với SEBS trong suốt. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận cường độ tia laser, chúng đạt được khuôn mẫu chính xác mà không làm hỏng lớp nền đàn hồi bên dưới. Việc lựa chọn vật liệu chứng tỏ rất quan trọng cho sự thành công của phương pháp này. Kim lưu ý: “Chúng tôi đã thành công trong việc tạo khuôn cho kim loại lỏng bằng cách tận dụng khả năng hấp thụ bước sóng laser tuyệt vời của nó”. “Hơn nữa, bằng cách điều chỉnh cường độ của tia laser, chúng tôi đã ngăn ngừa được sự hư hại đối với chất nền do nhiệt gây ra bởi tia laser, trong khi cả graphene và kim loại lỏng đều bị tia laser cắt bỏ”. Chất nền SEBS, không hấp thụ bước sóng laser, có thể chịu được nhiệt sinh ra trong quá trình cắt bỏ, cho phép tạo ra các mẫu có độ phân giải cao với khoảng cách điện cực nhỏ tới 90 µm. Các MSC thu được có hiệu suất ấn tượng, đạt được điện dung diện tích lên tới 1336 µF cm-2 trong khi vẫn duy trì khả năng tỷ lệ tốt. Điều quan trọng là các thiết bị không bị suy giảm đáng kể dưới các biến dạng cơ học khác nhau, bao gồm gấp, nhăn, xoắn và giãn, ngay cả sau 1000 chu kỳ biến dạng. Kim nhấn mạnh: “MSC sử dụng bộ thu dòng kim loại lỏng cho thấy không có sự thay đổi nào về hiệu suất lưu trữ năng lượng dưới các biến dạng cơ học khác nhau và thậm chí sau các biến dạng lặp đi lặp lại,” Kim nhấn mạnh, đồng thời nhấn mạnh tiềm năng của các thiết bị này trong việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử linh hoạt và có thể đeo được. Để chứng minh tiềm năng thực tế của MSC, các nhà nghiên cứu đã tích hợp một loạt thiết bị với điốt phát sáng để tạo ra một hệ thống chiếu sáng có thể co giãn. Hệ thống duy trì hoạt động ổn định trong điều kiện uốn, xoắn và kéo căng nghiêm trọng, thể hiện khả năng cung cấp năng lượng đáng tin cậy cho các thiết bị điện tử có thể biến dạng của MSC. Nhìn về phía trước, Kim và Yang nhận thấy còn cơ hội để cải tiến hơn nữa và có những khả năng thú vị cho các ứng dụng trong tương lai. Họ lưu ý: “Trong lĩnh vực MSC, việc đồng thời đạt được mật độ năng lượng cao và độ biến dạng cao vẫn là một thách thức đáng kể”. “Điều này là do, trong quá trình biến dạng cơ học, không chỉ bề mặt tiếp xúc giữa bộ thu dòng điện và vật liệu hoạt động cần được duy trì tốt mà mật độ năng lượng của chính vật liệu hoạt động cũng phải tăng lên. Vì vậy, vấn đề này cần được giải quyết.” Mặc dù cần thực hiện thêm công việc để nâng cao độ bền cơ học của chất điện phân dạng gel được sử dụng trong các MSC này, nhưng việc sử dụng các điện cực kim loại lỏng có hoa văn bằng laser là một bước tiến đáng kể trong việc phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng thực sự có thể biến dạng. Khi các công nghệ thiết bị đeo tiếp tục phát triển, những đổi mới như thế này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng các thiết bị của chúng ta có thể thích ứng với nhu cầu của lối sống năng động của chúng ta. Từ quần áo thông minh theo dõi sức khỏe của chúng ta đến các thiết bị cấy ghép y sinh có thể uốn cong theo cơ thể chúng ta, tương lai của thiết bị điện tử đeo trên người sẽ dựa vào các hệ thống lưu trữ năng lượng không chỉ nhỏ gọn, mạnh mẽ mà còn linh hoạt như chúng ta. Với sự kết hợp độc đáo giữa dây dẫn kim loại lỏng, chất nền đàn hồi và hiệu suất điện hóa cao, MSC dựa trên graphene mang đến cái nhìn thú vị về tương lai đó, mở rộng ranh giới của những gì có thể có trong bộ lưu trữ năng lượng có thể đeo được. Khi nghiên cứu trong lĩnh vực này tiến triển, chúng ta có thể mong đợi một thế hệ thiết bị đeo mới có thể tích hợp liền mạch với cuộc sống của chúng ta, được hỗ trợ bởi các giải pháp lưu trữ năng lượng có thể biến dạng mà không bao giờ cản trở chúng ta.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
