Esnek ve çizilebilir Güç Kaynaklarında Yararlanabilir Cihazların

Giriş: Büyülüler içinde Esnek Güç için Büyüye İhtiyacı

Giyim edilebilir teknoloji, basit fitness pistlerinin çok ötesine geçti. Bugün, akıllı gözlemler kalp ritmini izler, tıbbi yamalar uyuşturucuları sunar ve akıllı kıyafetler duruş ve kas aktivitelerini sağlar. Bu cihazlar günlük yaşamda daha entegre hale gelirken, esnek ve genişletilebilir güç kaynakları için talep, bükme ve büyümeden kaynaklanan elektrik-filmli bataryalar, bu sınırlamaları ve tekstillerde gerçekten yakın olan imkanları ele alır.

Herhangi bir giyilebilir güç kaynağı için temel gereksinimi, bu sorunları yeni malzemelerle, akıllı mimarilerle ve ölçeklenebilir üretim süreçleriyle karşılayabilme yeteneğidir. Bu makale, esnek ve genişletilebilir güç kaynaklarını, orijinal uzunluklarının %50'sinden daha fazla genişletilebilir, ya da binlerce bükme döngüsüne maruz kalmaktadır. Araştırmacılar bu sorunları yeni malzemelerle, akıllı mimarilerle ve ölçeklenebilir üretim süreçleriyle karşılamaktadır.

Esnek ve genişletilebilir Güç Kaynaklarının Türleri

Esnek ve genişletilebilir güç kaynakları üç geniş kategoriye girer: bataryalar, süper kapasitetörler ve enerji hasatçılar.Her tür farklı avantajları vardır ve farklı giyilebilir senaryolar için uygundur.

Esnek bataryalar

Esnek bataryalar, eğimli veya hareketli yüzeylere uygun olarak enerji depolamak için tasarlanmıştır.En yaygın yaklaşım kullanımları:0)lithium-ion kimyası) esnek paketleme ve elektrolitler için, [[Döneticiler, sızıntı olmadan bükmek için bir jelli bataryalar ).

İnce film bataryaları, genellikle elektrot ve elektrolit katmanları tarafından yapılır ve poliimide veya PET gibi esnek yüzeylerde çalışır, en ince seçenekler arasındadır - bir milimetre kalın.Bu piller doğrudan akıllı yamalar veya sensör bantlarına entegre edilebilir.Kapitçe bataryalar, tıbbi sensörler veya RFID etiketlerine aktif olarak yazdırılır.

Çökülebilir bataryalar, gerilim altında iletkenliği korumak için ek bir mühendislik gerektirir. Strategies, yılan interconnects (meandering metal hatları) veya Kaliforniya San Diego benzeri bir katlanabilir elektrotlar ve [[0) birkaç saat boyunca akıllı bir gözlem yaparken yüksek çözünürlükte bulunabilir.

Şık Superkapors

Superkapors yüksek enerji yoğunluğu ve hızlı şarj / şarj döngüleri sunar, onları kısa enerji patlamaları için ideal hale getirir - örneğin, giyilebilir bir sensörden kablosuz veri iletimini sağlar.Enfez süper kapasiteleri karbon bazlı malzemeler (karbontlar, grafikler, aktif karbon) ile bir araya getirilir.

Bir yenilikçi tasarım, 0,0)CNT iplikleri [Dönetici: 1), ilkbaharlar gibi genişletilebilecek anahtarlama filmlerine yol açıyor. Başka bir yaklaşım 10.000 döngüden sonra kapasitelerini kullanan başka bir yaklaşım.Çünkü süper kapasitelendiriciler[Döneticileri) [Dörtsel geçiş metalleri – son derece yüksek kapasiteliliğe sahip olan – hem de enerji yoğunluğuna sahip olmak için daha düşük maliyetlidir.

Esnek Enerji Veterinerleri

Enerji kaynakları (köpek, ısı, ışık) elektrik içine dönüştürür, potansiyel olarak bazı aşınmalarda bataryalara ihtiyaç duyar.The three most common types for soft applications arehongFLT:0)triboelektrik nanojeneratörleri (TENGs))

[FONT:0]Triboelektrik nanojeneratörleri [DÜT:1] temasa geçme etkisine güvenir: iki farklı malzeme bir araya geldiğinde, yüzey ücretleri mevcut olarak hasat edilebilir ve silikon kauçuk, konveyör ve iletken bir kumaştan elde edilebilir ve bir ceketin içine entegre edilebilir.

[FONT=0)Piezoelektrik malzemeler [Dönetici: 1 ), vücut hareketini Georgia Tech'de çeviren, küçük bir LCD ekranda elektriksel olarak şarj edilebilir bir gömlekle dolup, elektriksel olarak kullanılan bir gömlek.

[FONT=0]Flexible termoelektrik jeneratörleri [DDDDDDDDDDDDD:0) PEDOT gibi son gelişmeler[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD) doğrudan cilt ve hava ile basınç farklılıklarına uygulanabilir TEG'ler üretti - ancak şu anda mikrowatt seviyeler için sınırlı olsa da, sadece ultra-düşük güç cihazları için uygundur.

Malzemeler ve Teknolojiler Yenilik

Esnek güç kaynaklarının performansı, kullanılan malzemeler tarafından belirlenir. Anahtar malzeme kategorileri, iletken polimerler, sıvı metaller, nanomalzemeler ve kullanılabilir substratlar - her biri belirli avantajları sunar.

Davranışlı Polimerler

Polimerler:0)PEDOT:PSS (poli(3,4-pirasyonel oksitophene):polistyrene sulfonate) yüksek elektrik iletkenliği ile mekanik esneklikle birleştirir, daha fazla ısıtılabilir.

Sıvı Metaller

[FONT:0]Eutectic galium-indium (EGaIn)[Dönetici:0) Yüksek elektrik iletkenliği ve sıfır toksisitesi (örneğin paracury) ile bir oda sıcaklığı sıvı metaldir. Ancak, cihazlara elvestisite ve bağlantı kurma teknikleri kazandırılabilir.

Nanomalzemeler: Karbon Nanotüpler, Graphene ve MXenes

Karbon nanomalzemeler esnek enerji depolama alanlarının iş kümeleri haline gelmiştir.ETHFLT:0)Carbon nanotüpler (CNTs)) ve süper kapasiteye sahip olan bir çarşaflar veya çarşaflar gibi.)[Düzücüler[Düzücüler[Düzücüler)[Düzücükler ve yüksek çözünürlükteler ile ortaya çıkabilirler.

Gelişen bir araştırma gövdesi hibrid malzemeler kullanır: örneğin, [[DüzD:0)CNT-grafene aerogels[[[Dönerli polimerler binlerce kesintiden sonra sabit kalır elektrotlar üretir.Bu tür hibritler hem yüksek enerji yoğunluğu hem de mekanik sağlamlığı elde etmek için önemlidir.

Çizlenebilir Altstrates ve Encapsulants

Herhangi bir esnek cihazın temeli substratdır.ETHD:0)FMS[Dönetici:0) ( ⁇ e elastomer) yaygın olarak kullanılır, çünkü şeffaf, biyo uyumlu ve iplikler doğrudan kumaşlara dokunabilir, “e-textileler” yaratır.

Encapsulation, aktif malzemeleri nemden, oksijenden ve mekanik stresten korumak için kritiktir.ETHFLT:0)Parylene-C) ve [[Dönetici:2)poliimide)))))) geri kalan ince ve esnekken bir bariyer sağlayan ortak enkapsulantlardır.

Scalable Production için Kumaşlama Teknikleri

Laboratuar prototiplerinden ticari ürünlere taşınmak, hızlı, ucuz ve mevcut elektronik üretim ile uyumlu üretim yöntemleri gerektirir. Çeşitli teknikler esnek güç kaynakları için uyarıldı.

Ekran ve Inkjet Printing

Baskı yöntemleri doğrudan iletkenleri kullanarak esnek yüzeylere depolar.ETHFLT:0)Screen baskı[Döncükler ve daha büyük alanlar için kullanılır - batarya elektrotlar ve süper kapasiteler için uygundur. [Döneticiler için uygundur.]Inkjet baskı).

3D Printing

[Dönetici:0)Doğru yazı (DIW)) ve [[Dönetici:2)[FDM)[Dönetici 3 ), karmaşık geometrilerle özel olarak şekillendirilmiş bir güç kaynakları oluşturabilir. Örneğin, bir kol bandı şeklinde 3D baskılı bir lityum-iyon bataryası Maryland Üniversitesi tarafından gösterildi.

Lazer-Indüktör Graphene (LIG)

Özellikle umut verici bir yöntem, poliimide çarşafları göz ardı edilebilir grafiklere dönüştürmek için bir CO2 lazer kullanır. Elde edilenler:0)Perzen) oldukça sağlam, mekanik olarak sağlam ve esnek iletkenler için elektrot materyali oluşturur.

Transfer Baskı ve Roll-to-Roll

[FONT:0)Transfer baskı [[Dönder:0] Katı bir substrat üzerinde aktif malzemeleri yetiştirmeyi içerir, sonra onları esnek bir yüzeye aktarın ve aktarın.Bu teknik, yüksek kaliteli grafikler ve CNT ağları için zaten kullanılır. yüksek hacimli üretim için, [[Dönderlik-film pilleri ve süper kapasiteleri için kabul edilir.

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Vaka Çalışmaları

Esnek güç kaynakları, birkaç uygulama alanında prototipe konseptten taşındı.

Tıbbi Giyilebilir Sensörler

Sürekli glukoz monitörleri (CGMs) diyabet yönetimi için şimdi cilt için uygun esnek bataryalar kullanıyor. [Üye Olmayanlar İçin Tıklayınız.0) Libre). (Abbott) sensör ince bir hücre tarafından desteklenir, ancak sonraki nesil versiyonları, daha uzun yaşam ve daha yüksek konfor için yazdırılabilir bataryaları entegre etmek için kullanılır. Benzer şekilde, ECG ve EEG izleme için akıllı yamalar, örneğin Libre).

E-Textiles ve Smart Giyim

Google gibi şirketler:0)Ralph Lauren[[Dönetici:2) ve [[Google[Dönetici: 3) (Project Jacquard), müzikleri dokunabilecek ceketler gösterdi - ancak bu hala ceplerden gizlenmiş küçük katı bataryalar kullanıyor.

Implantable ve Soft Robotics

Mekanik bataryalar, iki saat boyunca ayrı ayrı bir robota sahip olmak için idealdir.(e.g., kardiyak hız yapıcılar), esnek bataryalar doku hasarını azaltır ve Texas Üniversitesi'nde Texas Üniversitesi'nde araştırmacılara göre, iki saat boyunca izole edilmiş bir polimer geliştirdiler.

Meydanlar ve Sınırlar

Hızlı ilerlemeye rağmen, esnek güç kaynaklarına göre birkaç engel yıpranmış durumda.

[FONT:0)Energy yoğunluk vs. esneklik ticaret-off: Esnek ve sabit tasarımlar doğal olarak bazı aktif malzeme hacmini feda ediyor - katı bataryalarla kıyasla daha düşük enerji yoğunluğuna yol açıyor.Mevcut dayanılmaz lityum-iyon aküler sadece 50-100 Wh/kg, geleneksel Li-ion'un yarısından daha azına ulaşır.
[FONT:0) Mekanik stres altında dengeyi azaltmak: Tekrarlanan bükme ve germe, elektrot tabakalarında mikrokökezlere neden oluyor, artan direnç ve kapasiteyi azaltır. Çoğu laboratuvar testleri, 500'den fazla işlem için en kısa sürede ticari gereksinimleri (500+ döngüsü) rapor eder.
[FONT:0)Güvenli ve güvenilirlik: [Dönetici: 0,4][/FONT=0) Katı-devlet elektrolitleri gelişmiş güvenlik sağlar ancak şu anda daha düşük iyonik iletkenlik sağlar.
[FONT:0)Integration ve Interconnect:) Aynı substrat üzerinde sert çiplere monte etmek için esnek güç kaynakları birbirine bağlanır. Hybrid approach using micro-rigid adas connection by değiştirilebilir interconnects are one solution, but improve complex.
[FONT:0]Scalability and cost:[Dönetici:0)[Dönetici ve yüksek kaliteli CNTs gibi birçok gelişmiş malzeme üretmek için pahalı. Lazer kaynaklı grafikler gibi Kumaşlama yöntemleri henüz yüksek hacimli R2R büyük hacimli cihazlar için üretim ile uyumlu değildir.

Future Yol ve Gelişen Araştırma

Bir sonraki yenilik dalgası, yukarıdaki zorluklara değinecek ve hangi giyilebilir güç kaynaklarının yapabileceği sınırları ele alacaktır.

Kendi kendine özgü malzemeler

Araştırmacılar, poliurethane urea elektrolitinin yeniden incelenebildiği polimer ağları geliştiriyorlar. Örneğin, aİLD:0) Kendi kendine özgü bir lityum-iyon akü ) 10 dakika içinde ilk kapasitenin% 92'sini geri kazandı.

Biyodegradable ve Bio-Integrated Power

Geçici tıbbi implantlar ve çevresel sürdürülebilirlik için, 03.03.2012 tarihinden sonra vücut tarafından absorbe edilebilir bataryalar , hücreli, magnezyum ve çinkolar geliştiriliyor. Illinois Üniversitesi 30 gün sonra vücut tarafından absorbe edilebilir bir batarya göstermiştir.

Hibrit Sistemler ve Enerji Yönetimi

En pratik giyilebilir güç sistemleri, KAUST ve Purdue'deki araştırma grupları tarafından geliştirilecek bir bataryayı bir araya getirecek.Bu sistemdeki enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarabilir.

AI-Integrated Design

[FONT:0]Makine öğrenmesi[DÜDÜT:1) elektrot mikroyapıları optimize etmek ve başarısızlık modlarını tahmin etmek için kullanılır. binlerce simdili genişletilmiş döngüde eğitim modellerine göre, araştırmacılar, stres konsantrasyonunu en aza indirmek için batarya mimarisi tasarlayabilirler.Bu yaklaşım gerçekten endüstriyel sınıf esnek güç kaynaklarının gelişimini hızlandırabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Esnek ve genişletilebilir güç kaynakları temel olarak giyilebilir elektronik manzarayı yeniden şekillendirmektedir.Sürdürülebilir-film-polimer akülerden, enerji yoğunluğu gibi triboelektrik kumaşlarına kadar enerji harcayan, malzemeler yenilikleri genişletmeye devam eder - özellikle de iletken polimerler, sıvı metaller ve 2D nanomalzemeler - baskı ve lazer işleme gibi ölçeklenebilir üretim teknikleri ile birlikte bu teknolojileri gerçekten de pazara yaklaştırır.