Các kỹ sư MIT sản xuất pin sợi linh hoạt dài nhất thế giới (140m)

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một pin lithium-ion có thể sạc lại dưới dạng một sợi siêu dài có thể được dệt thành vải. Pin có thể cho phép một loạt các thiết bị điện tử có thể đeo được, và thậm chí có thể được sử dụng để sản xuất pin in 3D trong hầu như bất kỳ hình dạng nào.

Các nhà nghiên cứu hình dung ra những khả năng mới cho các thiết bị truyền thông, cảm biến và tính toán tự cung cấp năng lượng có thể được mặc như quần áo thông thường, cũng như các thiết bị có pin cũng có thể tăng gấp đôi như các bộ phận cấu trúc.

Trong một bằng chứng về khái niệm, nhóm nghiên cứu đằng sau công nghệ pin mới đã sản xuất pin sợi linh hoạt dài nhất thế giới, dài 140 mét, để chứng minh rằng vật liệu có thể được sản xuất với chiều dài tùy ý. Công trình được mô tả ngày hôm nay trên tạp chí Materials Today. MIT postdoc Tural Khudiyev (hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Quốc gia Singapore), cựu tiến sĩ MIT Jung Tae Lee (hiện là giáo sư tại Đại học Kyung Hee) và Benjamin Grena SM '13, Tiến sĩ '17 (hiện đang làm việc tại Apple) là những tác giả chính trong bài báo. Các đồng tác giả khác là các giáo sư MIT Yoel Fink, Ju Li và John Joannopoulos, và bảy người khác tại MIT và các nơi khác.

Các nhà nghiên cứu, bao gồm các thành viên của nhóm này, trước đây đã chứng minh các sợi có chứa nhiều thành phần điện tử, bao gồm điốt phát sáng (ĐÈN LED), cảm biến ảnh, thông tin liên lạc và hệ thống kỹ thuật số. Nhiều trong số này có thể dệt và có thể giặt được, làm cho chúng trở nên thiết thực để sử dụng trong các sản phẩm đeo được, nhưng tất cả đều dựa vào nguồn năng lượng bên ngoài. Bây giờ, pin sợi này, cũng có thể dệt và có thể giặt được, có thể cho phép các thiết bị như vậy hoàn toàn khép kín.

Pin sợi mới được sản xuất bằng cách sử dụng gel pin mới và hệ thống vẽ sợi tiêu chuẩn bắt đầu với một xi lanh lớn hơn chứa tất cả các thành phần và sau đó làm nóng nó đến ngay dưới điểm nóng chảy của nó. Vật liệu được vẽ qua một lỗ hẹp để nén tất cả các bộ phận đến một phần nhỏ của đường kính ban đầu của chúng, trong khi duy trì tất cả sự sắp xếp ban đầu của các bộ phận.

Pin sợi tiếp tục cung cấp năng lượng cho đèn LED ngay cả sau khi cắt một phần cho thấy hệ thống pin sợi không bị mất điện giải và ngắn mạch.

Trong khi những người khác đã cố gắng sản xuất pin ở dạng sợi, Khudiyev nói, chúng được cấu trúc bằng các vật liệu chính ở bên ngoài sợi, trong khi hệ thống này nhúng lithium và các vật liệu khác bên trong sợi, với lớp phủ bên ngoài bảo vệ, do đó trực tiếp làm cho phiên bản này ổn định và không thấm nước. Đây là minh chứng đầu tiên của một pin sợi dài dưới km, vừa đủ dài vừa có độ bền cao để có các ứng dụng thực tế, ông nói.

Thực tế là họ đã có thể tạo ra một pin sợi 140 mét cho thấy rằng "không có giới hạn trên rõ ràng về chiều dài. Chúng tôi chắc chắn có thể thực hiện một chiều dài km,' ông nói. Một thiết bị trình diễn sử dụng pin sợi mới kết hợp hệ thống thông tin liên lạc "Li-Fi" - một trong đó các xung ánh sáng được sử dụng để truyền dữ liệu và bao gồm micrô, tiền amp, bóng bán dẫn và điốt để thiết lập liên kết dữ liệu quang học giữa hai thiết bị vải dệt.

"Khi chúng tôi nhúng các vật liệu hoạt động bên trong sợi, điều đó có nghĩa là các thành phần pin nhạy cảm đã có niêm phong tốt", Khudiyev nói, "và tất cả các vật liệu hoạt động đều được tích hợp rất tốt, vì vậy chúng không thay đổi vị trí của chúng" trong quá trình vẽ. Ngoài ra, pin sợi kết quả mỏng hơn và linh hoạt hơn nhiều mang lại tỷ lệ khung hình, đó là phân số chiều dài đến chiều rộng, lên đến một triệu, vượt xa các thiết kế khác, điều này làm cho việc sử dụng thiết bị dệt tiêu chuẩn để tạo ra các loại vải kết hợp pin cũng như hệ thống điện tử.

Pin sợi rút nhiệt (phải) có khả năng chống cháy do các điện cực gel và chất điện phân gel, trong khi pin sợi điều khiển với chất điện phân lỏng (trái) ngay lập tức bắt lửa và mở rộng.

Sợi 140 mét được sản xuất cho đến nay có khả năng lưu trữ năng lượng là 123 milliamp giờ, có thể sạc đồng hồ thông minh hoặc điện thoại, ông nói. Thiết bị sợi chỉ có độ dày vài trăm micron, mỏng hơn bất kỳ nỗ lực nào trước đây để sản xuất pin ở dạng sợi.

"Vẻ đẹp của cách tiếp cận của chúng tôi là chúng tôi có thể nhúng nhiều thiết bị vào một sợi riêng lẻ, Lee nói, "không giống như các phương pháp khác cần tích hợp nhiều thiết bị sợi." Họ đã chứng minh sự tích hợp của pin LED và Li-ion trong một sợi duy nhất và ông tin rằng hơn ba hoặc bốn thiết bị có thể được kết hợp trong một không gian nhỏ như vậy trong tương lai. "Khi chúng tôi tích hợp các sợi này có chứa nhiều thiết bị, aggragate sẽ thúc đẩy việc thực hiện một máy tính vải nhỏ gọn."

Ngoài các sợi một chiều riêng lẻ, có thể được dệt để sản xuất vải hai chiều, vật liệu cũng có thể được sử dụng trong in 3D hoặc các hệ thống hình dạng tùy chỉnh để tạo ra các vật thể rắn, chẳng hạn như vỏ có thể cung cấp cả cấu trúc của thiết bị và nguồn điện của nó. Để chứng minh khả năng này, một tàu ngầm đồ chơi đã được bọc bằng sợi pin để cung cấp năng lượng cho nó. Kết hợp nguồn năng lượng vào cấu trúc của các thiết bị như vậy có thể làm giảm trọng lượng tổng thể và do đó cải thiện hiệu quả và phạm vi mà chúng có thể đạt được.

"Đây là lần in 3D đầu tiên của một thiết bị pin sợi quang", Khudiyev nói. "Nếu bạn muốn tạo ra các vật thể phức tạp" thông qua in 3D kết hợp thiết bị pin, ông nói, đây là hệ thống đầu tiên có thể đạt được điều đó. "Sau khi in, bạn không cần phải thêm bất cứ thứ gì khác, bởi vì mọi thứ đã ở bên trong sợi, tất cả các kim loại, tất cả các vật liệu hoạt động. Nó chỉ là in một bước. Đó là lần đầu tiên."

Điều đó có nghĩa là bây giờ, ông nói, "Các đơn vị tính toán có thể được đặt bên trong các vật thể hàng ngày, bao gồm li-fi."

Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế về quy trình này và tiếp tục phát triển các cải tiến hơn nữa về công suất điện và các biến thể trên các vật liệu được sử dụng để cải thiện hiệu quả. Ông Khudiyev cho biết pin sợi như vậy có thể sẵn sàng để sử dụng trong các sản phẩm thương mại trong vòng vài năm tới.

"Sự linh hoạt về hình dạng của pin mới cho phép các thiết kế và ứng dụng chưa từng có trước đây", Martin Winter, giáo sư hóa học vật lý tại Đại học Muenster ở Đức, người không tham gia vào công việc này cho biết. Gọi công việc này là "rất sáng tạo", ông nói thêm: "Vì hầu hết các công trình học thuật về pin bây giờ nhìn vào lưu trữ lưới điện và xe điện, đây là một sự sai lệch tuyệt vời so với dòng chính."

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi chương trình MIT MRSEC của Quỹ Khoa học Quốc gia, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ thông qua Viện Công nghệ Nano Người lính, chương trình học bổng nghiên cứu sau đại học của Quỹ Khoa học Quốc gia và Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc.