Inleiding: De groeiende behoefte aan flexibele kracht in draagbare stoffen

De draagbare technologie is veel verder gegaan dan eenvoudige fitnesstrackers. Vandaag de dag, monitoren smartwatches hartritmes, medische patches leveren drugs, en slimme kleding tracks houding en spieractiviteit. Aangezien deze apparaten meer geïntegreerd in het dagelijkse leven, de vraag naar energiebronnen die kunnen buigen, draaien, en stretchen zonder verlies van prestaties is toegenomen. Traditionele stijve batterijen zijn slecht geschikt voor toepassingen dicht bij de huid of ingebed in textiel, waar comfort, veiligheid, en duurzaamheid voorop staan. Recente doorbraken in flexibele en rekbare energiebronnen . . variërend van dunne-film batterijen tot energie-uitgevende stoffen . . zijn het aanpakken van deze beperkingen en het openen van nieuwe mogelijkheden voor echt draagbare elektronica.

De belangrijkste vereiste voor een draagbare energiebron is de mogelijkheid om te weerstaan herhaalde mechanische vervorming met behoud van stabiele output. Apparaten kunnen worden gevouwen, gekreukeld, uitgestrekt met meer dan 50% van hun oorspronkelijke lengte, of blootgesteld aan duizenden buigcycli. Onderzoekers voldoen aan deze uitdagingen met nieuwe materialen, slimme architecturen, en schaalbare productieprocessen. Dit artikel onderzoekt de belangrijkste soorten flexibele en rekbare energiebronnen, de materialen drijvende innovatie, fabricagetechnieken, real-world toepassingen, lopende uitdagingen en toekomstige richtingen.

Soorten flexibele en uitrekbare energiebronnen

Flexibele en rekbare energiebronnen vallen in drie brede categorieën: batterijen, supercapacitors en energie oogstmachines. Elk type heeft duidelijke voordelen en is geschikt voor verschillende draagbare scenario's.

Flexibele batterijen

Flexibele batterijen zijn ontworpen om energie op te slaan terwijl ze voldoen aan gebogen of bewegende oppervlakken. De meest voorkomende aanpak gebruikt lithium-ionchemie[ met flexibele verpakking en elektroden. Bijvoorbeeld, [lithium-polymeerbatterijen[] gebruiken een gelelektrolyt dat kan buigen zonder te kraken. Meer geavanceerde solid-state flexibele batterijen [ vervangen vloeibare elektrolyten door vaste keramische of polymeerelektrolyten, verminderen lekkagerisico's en verbeteren van de veiligheid.

Dunne-film batterijen, vaak gemaakt door lagen elektrode en elektrolyt op flexibele substraten zoals polyimide of PET, behoren tot de dunste opties . Minder dan een millimeter dik. Deze batterijen kunnen direct worden geïntegreerd in slimme patches of sensorbanden. Gedrukte batterijen zijn een andere veelbelovende variant, met behulp van inkjet of zeefdruk om actieve materialen neer te zetten op stof of plastic. Bedrijven zoals Imprint Energy en Blue Spark Technologies[] hebben flexibele batterijen voor medische sensoren en RFID-tags in de handel gebracht.

Stretchable batterijen vereisen extra engineering om geleidbaarheid onder spanning te houden. Strategieën omvatten serpentine interconnects (meanderende metalen lijnen die zich ontvouwen wanneer ze worden uitgerekt), origami-achtige opvouwbare elektroden, en het gebruik van [ vloeibare metalen zoals eutectic gallium-indium (EGaIn) als huidige verzamelaars. Recent onderzoek van de Universiteit van Californië San Diego toonde een rekbare lithium-ion batterij die tot 50% kan worden uitgerekt terwijl het aandrijven van een smartwatch voor een aantal uren.

Uitrekkende supercapacitors

Supercapacitors bieden een hoge vermogensdichtheid en snelle laad/uitschakelcycli, waardoor ze ideaal zijn voor korte uitbarstingen van energie . Bijvoorbeeld, het voeden van draadloze dataoverdracht van een draagbare sensor. Strekbare supercapacitors worden gebouwd met behulp van koolstof-gebaseerde materialen (koolstof nanotubes, grafeen, geactiveerde koolstof) gecombineerd met elastische polymeren. De elektroden zijn vaak gecoat op rekbare substraten zoals PDMS (polydimethyl

Een innovatief ontwerp maakt gebruik van CNT garens gedraaid tot spoelen die kunnen worden uitgerekt als veren. Een andere aanpak maakt gebruik van MXenes . . een klasse van tweedimensionale transitie metalen › die zeer hoge capaciteit bieden. Onderzoekers aan Drexel University hebben MXene-gebaseerde supercapacitor films ontwikkeld die 90% van hun capaciteit behouden na 10.000 stretch cycli. Omdat supercapacitors opslaan elektrostatisch in plaats van chemisch, hebben ze de neiging om langere levensduur dan batterijen, hoewel hun energiedichtheid is lager . . een trade-off die vaak leidt tot hybride systemen combineren van beide technologieën.

Flexibele energieoogstmachines

Energieoogsters zetten omgevingsenergie (motion, heat, light) om in elektriciteit, waardoor de behoefte aan batterijen in sommige wearables mogelijk wordt geëlimineerd. De drie meest voorkomende types voor flexibele toepassingen zijn triboelektrische nanogenerators (TENGs), piezoelektrische generatoren, en thermoelektrische generatoren (TEG's) .

Triboelektrische nanogeneratoren vertrouwen op het contact-electrificatie effect: wanneer twee verschillende materialen in elkaar wrijven, opbouw en kan worden geoogst als stroom. Flexibele TENG's kunnen worden gemaakt van siliconenrubber, PTFE, en geleidende stof, en kunnen worden geïntegreerd in schoeninlegzolen, mouwen, of zelfs de binnenkant van een jas. Een goed ontworpen TENG kan milliwatt genereren van normale loopbeweging, genoeg om een temperatuursensor of een LED te voeden.

Piezo-elektrische materialen, zoals polyvinylfluoride (PVDF) of zinkoxide nanodraden, genereren spanning bij mechanisch misvormd. Flexibele piëzo-elektrische folies worden gebruikt in -energie-oogststoffen[] die lichaamsbeweging omzetten in elektriciteit. Onderzoekers van Georgia Tech hebben piëzo-elektrische vezels geweven in een shirt dat een klein LCD-scherm kan voeden.

Flexibele thermo-elektrische generatoren exploiteren het Seebeck-effect om temperatuurverschillen (bv. tussen huid en omgevingslucht) om te zetten in spanning. Recente vooruitgang in organische thermo-elektrische materialen zoals PEDOT:PSS en koolstof nanobuisfilms hebben buigbare TEG's geproduceerd die direct op de huid kunnen worden toegepast, hoewel de output momenteel beperkt is tot microwattniveaus, die alleen geschikt zijn voor ultra-low-power apparaten.

Materialen en technologieën die innovatie stimuleren

De prestaties van flexibele energiebronnen worden uiteindelijk bepaald door de gebruikte materialen. Belangrijkste materiaalcategorieën zijn geleidende polymeren, vloeibare metalen, nanomaterialen en rekbare substraten . . Elk biedt specifieke voordelen.

Geleidende polymeren

Polymeren zoals PEDOT:PSS (poly(3,4-ethyleendioxy-indool):polystyreensulfonaat) combineren hoge elektrische geleidbaarheid met mechanische flexibiliteit. Ze kunnen worden verwerkt als inkt of folie en zijn nu gebruikelijk in flexibele supercapacitors en batterijelektroden. Door toevoeging van additieven of oplosmiddelen, kan de geleidbaarheid van PEDOT:PSS worden afgestemd op meer dan 4000 S/cm .. dicht bij metalen maar met veel grotere druktolerantie. Een ander geleidend polymeer, polyaniline (PANI) ], wordt gebruikt in stofgebaseerde supercapacitors en toont goede stabiliteit onder herhaalde buiging.

vloeibaar metaal

Eutectische gallium-indium (EGaIn) is een kamertemperatuur vloeibaar metaal met hoge elektrische geleidbaarheid en nul toxiciteit (in tegenstelling tot kwik). Het kan worden geïnjecteerd in microkanalen binnen elastische polymeren om rekbare draden en interconnecten te creëren. Vloeibare metalen zijn vooral waardevol voor rekbare batterijen en supercapacitors omdat ze geleidende blijven, zelfs wanneer het substraat langer wordt met meer dan 100%. Echter, uitdagingen blijven bestaan met het waarborgen van een uniforme distributie en het voorkomen van lekkage. Onderzoekers ontwikkelen micro-encapsulatie technieken om het vloeibaar metaal veilig te houden.

Nanomaterialen: koolstofnanotubes, grafeen en MXenes

Koolstof nanomaterialen zijn de werkpaarden van flexibele energieopslag geworden. Carbon nanotubes (CNTs) kunnen worden gesponnen tot garens of platen die fungeren als elektroden met een hoog oppervlak en uitstekende geleidbaarheid. Graphene, een enkel atoom-dikte koolstofplaat, biedt nog hogere theoretische oppervlakte en wordt gebruikt in beide batterijen (als een anode-additief) en supercapacitors. [MXenes[] . Tweedimensionale grepen en .. . zijn ontstaan als hoog presterende elektrodematerialen voor supercapacitors, met een capaciteit groter dan 1000 F/cm]3[[FLT:] . De gelaagde structuur is compatibel met flexibele substraten, en ze kunnen worden gespoten of gespoten.

Een groeiend onderzoekslichaam gebruikt hybride materialen: bijvoorbeeld [CNT-grapheen aerogels gecombineerd met geleidende polymeren produceren elektroden die stabiel blijven na duizenden stretchcycli. Dergelijke hybriden zijn cruciaal voor het bereiken van zowel hoge energiedichtheid als mechanische robuustheid.

Uitrekkende substraten en encapsulanten

De basis van een flexibel apparaat is het substraat. PDMS (silicone elastome) wordt op grote schaal gebruikt omdat het transparant is, biocompatibel en zich kan uitstrekken tot meerdere keren de oorspronkelijke lengte. Ecoflex[] is nog zachter en elastischer, vaak gebruikt in huid-gemonteerde elektronica. Voor textiel-geïntegreerde apparaten, geleidende vezels of garens kunnen direct worden geweven in stoffen, waardoor .e- . . . die zowel rekbaar en wasbaar zijn.

Encapsulation is van cruciaal belang om actieve materialen te beschermen tegen vocht, zuurstof en mechanische stress. Parylene-C (een polymeercoating) en polyimide zijn veel voorkomende encapsulanten die een barrière bieden terwijl ze dun en flexibel blijven. Zelfgenezings-encapsulanten, die microcracks kunnen repareren na mechanische schade, zijn een actief onderzoeksgebied.

Fabricagetechnieken voor schaalbare productie

Om van laboratoriumprototypes naar commerciële producten te kunnen verhuizen, zijn snelle, goedkope en compatibele productiemethoden nodig. Verschillende technieken zijn aangepast voor flexibele stroombronnen.

Afdrukken van scherm en inktstraal

Drukmethoden leggen actieve materialen rechtstreeks neer op flexibele substraten met behulp van geleidende inkt. [Screenprinter wordt gebruikt voor dikkere lagen en grotere oppervlakken .. geschikt voor batterijelektroden en supercapacitor films. [Inkjetprinten biedt een hogere resolutie en maakt multi-layer structuren mogelijk. Beide technieken kunnen op stoffen, kunststoffen en zelfs papier printen. Bedrijven als PragmatIC Semicond[ bedrukken flexibele IC's voor draagbare sensoren, en soortgelijke benaderingen worden uitgebreid tot bedrukte batterijen.

3D-afdrukken

Direct inktschrijven (DIW) en fusiedepositiemodellering (FDM) kunnen op maat gevormde stroombronnen met complexe geometrieën creëren. Zo heeft de Universiteit van Maryland bijvoorbeeld een 3D-geprinte lithium-ionbatterij in de vorm van een armband gedemonstreerd. De mogelijkheid om geleidende en rekbare materialen gelijktijdig af te drukken vordert snel, hoewel de doorvoer een uitdaging blijft.

Laser-induced Graphene (LIG)

Een bijzonder veelbelovende methode gebruikt een CO2-laser om polyimideplaten om te zetten in poreuze grafeen. De resulterende laser-geïnduceerde grafeen[] is zeer geleidend, mechanisch robuust en kan direct worden gepatroond. LIG vormt het elektrodemateriaal voor flexibele supercapacitors en zelfs lithium-ion batterijen. Het kan worden overgebracht naar rekbare substraten zoals PDMS zonder de prestaties te verliezen, waardoor een goedkoop droog proces wordt aangeboden.

Overdruk en roll-to-roll

Transfer printing omvat het kweken van actieve materialen op een stijf substraat, vervolgens het afpellen ervan en het overbrengen ervan naar een flexibel oppervlak. Deze techniek wordt gebruikt voor hoogwaardige grafeenfilms en CNT-netwerken. Voor productie met een hoog volume, roll-to-roll (R2R) verwerking bouwt hij apparaten op continue flexibele webs, vergelijkbaar met krantendruk. R2R wordt al gebruikt voor het vervaardigen van flexibele displays en wordt gebruikt voor dunne-film batterijen en supercapacitors.

Toepassingen en casestudies in de praktijk

Flexibele stroombronnen zijn van concept naar prototype in verschillende toepassingsgebieden verplaatst.

Medische Draagbare Sensoren

Continue glucosemonitors (CGM's) voor diabetesmanagement gebruiken nu flexibele batterijen die aan de huid voldoen. De FreeStyle Libre (Abbott) sensor wordt aangedreven door een dunne muntcel, maar de volgende generatie versies zijn bedoeld om gedrukte rekbare batterijen te integreren voor een langere levensduur en een hoger comfort. Ook slimme patches voor ECG- en EEG-monitoring, zoals die van X-trodes[], vertrouwen op flexibele batterijen die dagenlang gedragen kunnen worden.

E-Textielen en slimme kleding

Bedrijven als Ralph Lauren en Google (Project Jacquard) hebben jassen gedemonstreerd die muziek via aanraking kunnen regelen, maar deze gebruiken nog steeds kleine stijve batterijen verborgen in zakken. Toekomstige e-textiel zal rekbare supercapacitors en energie oogsters rechtstreeks in de stof weven. Onderzoekers aan de Universiteit van Shanghai hebben een TENG geweven van siliconen gecoate katoen gemaakt die een LED-gordel uit armbeweging geeft.

Implanteerbare en zachte robotica

Stretchable batterijen zijn cruciaal voor zachte robots die biologische bewegingen nabootsen. Een 2023 studie van de Universiteit van Tokio integreerde een rekbare lithium-ion batterij in een visachtige zachte robot, waardoor het twee uur autonoom kon zwemmen. Voor medische implantaten (bijvoorbeeld hart- en vaatpacemakers), flexibele batterijen verminderen weefselschade en laten conforme verpakking rond organen toe. Onderzoekers aan de Universiteit van Texas in Austin hebben een biologisch afbreekbare, rekbare batterij ontwikkeld voor tijdelijke implantaten die na gebruik oplost.

Uitdagingen en beperkingen

Ondanks snelle vooruitgang blijven er nog verschillende obstakels bestaan voordat flexibele energiebronnen overal in wearables worden gebruikt.

  1. Energiedichtheid versus flexibiliteit trade-off: Flexibele en rekbare ontwerpen die inherent een aantal actieve materiaalvolumes opofferen .. leiden tot een lagere energiedichtheid in vergelijking met stijve batterijen. Huidige rekbare lithium-ion batterijen bereiken slechts 50
  2. Cycling stabiliteit onder mechanische stress: Herhaalde buigen en stretchen veroorzaakt microscheuren in elektrodelagen, toenemende weerstand en vermindering van de capaciteit. De meeste laboratoriumtests melden minder dan 500 cycli voor rekbare batterijen . . Verre te kort aan commerciële eisen (500+ cycli). Zelfhelende materialen en verbeterde inkapseling worden onderzocht.
  3. Veiligheid en betrouwbaarheid: Flexibele lithiumbatterijen bevatten nog steeds brandbare elektrolyten. Uitrekkende verpakkingen moeten lekkage en verbranding bij doorprik voorkomen. Solid-state elektrolyten bieden een verbeterde veiligheid maar hebben momenteel een lagere ionische geleidbaarheid.
  4. Integratie en interconnectie: Het verbinden van flexibele stroombronnen met stijve chips op hetzelfde substraat creëert spanningsconcentratiepunten. Hybride benaderingen met behulp van microrigide eilanden verbonden door rekbare onderlinge verbindingen zijn één oplossing, maar vergroten de complexiteit.
  5. Schaalbaarheid en kosten: Veel geavanceerde materialen zoals MXenes en CNT's van hoge kwaliteit zijn duur om te produceren. Fabricagemethoden zoals laser-geïnduceerde grafeen zijn nog niet compatibel met R2R-productie met een hoog volume voor apparaten met een groot oppervlak.

Toekomstige richtsnoeren en opkomende onderzoek

De volgende innovatiegolf zal de bovengenoemde uitdagingen aanpakken en de grenzen verleggen van wat draagbare energiebronnen kunnen doen.

Zelfgenezingsmaterialen

Onderzoekers ontwikkelen polymeernetwerken die na het snijden of breken opnieuw kunnen worden afgesloten. Bijvoorbeeld, een [zelfhelende lithium-ionbatterij op basis van een polyurethaan ureumelektrolyt werd gemeld in Nature (2022): na een scheiding, herstelde het 92% van zijn aanvankelijke capaciteit binnen 10 minuten. Dergelijke materialen verbeteren de levensduur van rekbare energiebronnen drastisch.

Biologisch afbreekbaar en bio-geïntegreerd vermogen

Voor tijdelijke medische implantaten en milieuduurzaamheid, bioafbreekbare batterijen gemaakt van cellulose, magnesium en zink zijn in ontwikkeling. De Universiteit van Illinois heeft aangetoond dat een batterij die na 30 dagen door het lichaam kan worden geabsorbeerd. Op dezelfde manier biobrandstofcellen[] gebruiken zweetglucose om stroom te genereren worden gecombineerd met flexibele elektroden . Hoewel de output is nog steeds beperkt tot microwatt.

Hybride systemen en energiebeheer

De meest praktische draagbare voedingssystemen combineren een batterij voor een stabiele voeding met een supercondensator voor uitbarstingen en een energie oogstmachine voor het opladen van druppels. Flexibele power management ICs (PMics) die buigbaar zijn worden ontwikkeld door onderzoeksgroepen bij AKAST en Purdue. Deze kunnen de energie-efficiëntie in het hele systeem maximaliseren.

AI-geïntegreerd ontwerp

Machine learning wordt gebruikt om elektrode microstructuren te optimaliseren en uitvalsmodi te voorspellen. Door modellen te trainen op duizenden gesimuleerde stretchcycli, kunnen onderzoekers batterijarchitecturen ontwerpen die de stressconcentratie minimaliseren. Deze aanpak zou de ontwikkeling van echt industriële flexibele stroombronnen kunnen versnellen.

Conclusie

Vooruitgang in flexibele en rekbare energiebronnen zijn fundamenteel het hervormen van de draagbare elektronica landschap. Van dunne-film lithium-polymeer batterijen die buigen rond een pols tot tribo-elektrische stoffen die energie oogsten van het lopen, de portfolio van opties blijven uitbreiden. Materialen innovaties . . met name in geleidende polymeren, vloeibare metalen en 2D nanomaterialen .In combinatie met schaalbare productietechnieken zoals printen en laserverwerking brengen deze technologieën dichter bij de markt. Terwijl uitdagingen zoals energiedichtheid, wielerstabiliteit en integratie blijven, continu onderzoek naar zelf-genezing, biologisch afbreekbaar, en hybride systemen belooft om deze barrières te overwinnen. Binnen het volgende decennium, kunnen we verwachten draagbare apparaten die niet alleen comfortabel en duurzaam zijn, maar ook onafhankelijk aangedreven door het lichaam eigen beweging en warmte . .

Verdere lezing: Een beoordeling van flexibele energieopslagapparaten in Nature · Optrekbare batterijen voor wearables in Energie & Milieuwetenschap · [MXene supercapacitors in Trends in Chemistry[] · [Zelf-helende Li-ion batterij in Wetenschapsvooruitgangen ]].