從聚合物壓電纖維編織的材料獲取能量并用于電容器中

‘Power dressing’在最近的研究中將能量收集電子技術(shù)融入到織物中，具有全新的意義。例如，太陽(yáng)能技術(shù)的進(jìn)步將很快產(chǎn)生可用于為電池和電力設(shè)備充電的服裝和室內(nèi)裝潢。用聚合物壓電纖維編織的材料可以舒適地穿著，從簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)中獲取能量。基于GaN納米線的壓電納米發(fā)電機(jī)將以相同的方式產(chǎn)生功率。

存儲(chǔ)產(chǎn)生的能量并將其轉(zhuǎn)換為可用形式是一個(gè)重要的考慮因素。石墨烯和碳納米管的網(wǎng)絡(luò)正在開發(fā)中以生產(chǎn)類似纖維的能量存儲(chǔ)裝置，其可以結(jié)合到織物中以像超級(jí)電容器一樣操作。在其他地方，研究正在產(chǎn)生一種基于連續(xù)碳納米管纖維的緊湊，可拉伸的線形超級(jí)電容器。另一種方法是創(chuàng)造一種靈活的薄膜，提供鋰電池（不含鋰）和高功率超級(jí)電容器的最佳品質(zhì)。本文將總結(jié)這項(xiàng)研究，以展示我們的服裝如何利用能量收集技術(shù)直接供電電子設(shè)備，為電池充電，甚至在其纖維中加入電池。為了進(jìn)行比較，本文將考慮超級(jí)電容器當(dāng)前最先進(jìn)的物理尺寸/體積，性能可穿戴應(yīng)用的壽命和壽命，以Elna America和Seiko Instruments系列的例子為例。這些超級(jí)電容器的充電和管理將參考包括BQ25504升壓轉(zhuǎn)換器和電池管理IC在內(nèi)的設(shè)備及其相關(guān)開發(fā)套件，均來自德州儀器。

Light and movement

光伏材料，輕便靈活根據(jù)Dephotex項(xiàng)目的開發(fā)人員的說法，預(yù)計(jì)將在不久的將來提供足夠的服裝。 這項(xiàng)歐盟框架研究已開發(fā)出具有導(dǎo)電性能的纖維，可編織成形成柔性光伏電池的基板。近年來，各種會(huì)議都展示了示威者，展示了如何為小型設(shè)備供電，小型電池可以充電，而太陽(yáng)能帳篷，遮陽(yáng)簾，窗簾和室內(nèi)裝潢等大型裝置可用于為燈光供電甚至同時(shí)，英國(guó)的研究人員開發(fā)出一種針織柔性面料，利用壓電技術(shù)從人體運(yùn)動(dòng)或周圍環(huán)境中產(chǎn)生能量。博爾頓大學(xué)材料研究與創(chuàng)新研究所設(shè)計(jì)了一種基于壓電PVDF纖維的3D紡織結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有柔韌性，透氣性和堅(jiān)韌性，重要的是，可通過合作伙伴公司進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。

圖1：博爾頓大學(xué)采用PVDF間隔紗的3D壓電織物結(jié)構(gòu)。

兩個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)電銀涂層聚酰胺織物面（電極）通過PVDF間隔紗連接在一起?？椢锏膲嚎s導(dǎo)致間隔紗產(chǎn)生由兩個(gè)金屬面收集的電荷。目前，可以產(chǎn)生1至5μW/cm2的能量，足以為小型傳感器供電。

應(yīng)用設(shè)計(jì)用于服裝和鞋墊，例如，為小型便攜式設(shè)備供電，也用于地毯和其他地板表面或者為機(jī)場(chǎng)或購(gòu)物中心的照明和多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸端口供電的座椅材料。

Supercaps

能源存儲(chǔ)仍然是尋求替代傳統(tǒng)電池的研究人員的熱門話題。美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué) 3 ，新加坡南洋理工大學(xué)和清華大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出一種超級(jí)電容器式能量?jī)?chǔ)存裝置，其形式為可編織成衣服的纖維。中國(guó)大學(xué)。據(jù)稱這種緊密堆積的石墨烯和碳納米管互連網(wǎng)絡(luò)的體積能量密度為6.3μWh/mm3，相當(dāng)于4 V，500μAh的薄膜鋰電池。然而，與電池不同，它更快地充電和釋放能量，更像是超級(jí)電容器。

它可以編織成衣服，為家中的人們提供醫(yī)療設(shè)備的電源，或者為現(xiàn)場(chǎng)士兵提供通信設(shè)備。該纖維可能用作醫(yī)療植入物中的電源或“能量承載線”。纖維堅(jiān)韌，承受恒定的機(jī)械應(yīng)力，并已經(jīng)過10，000次充放電循環(huán)測(cè)試。具有相同的目標(biāo) - 高能電池和高功率超級(jí)電容器的最佳特性 - 賴斯的研究人員大學(xué) 4 開發(fā)了一種薄膜柔性電池?；诜植荚诠腆w電解質(zhì)周圍的納米多孔氟化鎳電極，該薄膜電化學(xué)電容器的25mm2貼片已經(jīng)過10，000次充電/放電循環(huán)和1000次彎曲循環(huán)測(cè)試。研究人員正在尋找具有石墨烯，碳納米管和導(dǎo)電聚合物靈活性的材料，但具有更高的電存儲(chǔ)容量，通常存在于無機(jī)和金屬化合物中。

圖2：結(jié)構(gòu)萊斯大學(xué)開發(fā)的薄膜超級(jí)電容器，基于納米多孔層來自特拉華大學(xué)的研究人員，基于連續(xù)碳納米管纖維的可拉伸的線形超級(jí)電容器可能在可穿戴能源設(shè)備中得到應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)使用氨綸纖維作為基材制造該裝置，其中預(yù)應(yīng)變和彎曲碳納米管作為活性電極，聚乙烯醇硫酸凝膠作為固體電解質(zhì)。測(cè)試超過10，000次充電/放電循環(huán)已證明具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和電化學(xué)穩(wěn)定性。

同時(shí)，繼續(xù)研究改進(jìn)超級(jí)電容器的尺寸，靈活性和儲(chǔ)能能力，已在萊布尼茲產(chǎn)生了許多微超級(jí)電容器開發(fā)德累斯頓固體和材料研究所（IFW-Dresden）。 在一個(gè)項(xiàng)目中，二氧化錳被用作替代電極材料。通過使用電子束蒸發(fā)二氧化錳并使氣態(tài)原子沉淀來制備彎曲膜。研究人員聲稱，半厘米的正方形可以儲(chǔ)存更多的能量，并且比最先進(jìn)的超級(jí)電容器每單位體積提供更多的功率。

最先進(jìn)的技術(shù)雖然重要的是監(jiān)測(cè)如何技術(shù)正在發(fā)展，今天最先進(jìn)的超級(jí)電容器已經(jīng)在可穿戴應(yīng)用中使用。當(dāng)然，他們最大的缺點(diǎn)是缺乏靈活性。因此，小尺寸是必不可少的。 Elna America的DSK-3R3H204T614-H2L是最小，最持久，最高電容的器件之一。這種紐扣電池格式超級(jí)電容器的直徑為6.8毫米，高度為1.8毫米。額定電壓為3.3 V，電容為200 mF，ESR（等效串聯(lián)電阻）為200 ohm。壽命在60oC時(shí)被引用為1000小時(shí)。

它延長(zhǎng)了使用壽命，并且能夠快速存儲(chǔ)和釋放相對(duì)大量的能量，使超級(jí)電容器對(duì)能量收集應(yīng)用有效。它們可以與電池一起使用，但通?？梢蕴鎿Q它們，具體取決于所需的功能。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們不需要在恒定電壓下充電，但通過吸取電源可以提供的最大電流來有效充電。

XH311HG-尺寸略大于一半，直徑3.8 mm Seiko Instruments的IV07E額定電壓為3.3 V，電容為20 mF，可靠至少10，000次充電/放電循環(huán)。它被廣泛用作小型便攜式設(shè)備的備用電源。

更小，芯片形式，精工還提供CPH3225A，尺寸僅為3.2 x 2.5 x 0.9 mm。該器件適用于高達(dá)3.3 V的應(yīng)用，容量為4.6μAh，電容為11 mF。

在可穿戴應(yīng)用中，超級(jí)電容器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可與其他電路集成或遠(yuǎn)程連接并縫制成衣服，例如，在衣領(lǐng)或翻領(lǐng)下，或在口袋中，或佩戴在手腕或胸帶上能源管理

無論是硬幣還是芯片形式，超級(jí)電容器都需要與他們支持的能量收集電路集成。例如，無論是與鋰電池一起使用還是作為鋰電池的替代品，它們都需要某種形式的電源管理以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

專為超低功耗和能量收集應(yīng)用而設(shè)計(jì)的是bq25504升壓/充電器IC來自德州儀器。它可以從各種直流電源（包括太陽(yáng)能和壓電/振動(dòng)設(shè)備）獲取和管理從微瓦到毫瓦的功率。它可以從低至330 mV的輸入電壓開始，并且一旦操作可以在80 mV下收獲能量。當(dāng)超級(jí)電容器集成到系統(tǒng)中時(shí)，bq25504監(jiān)控過壓和欠壓情況，并在存儲(chǔ)的能量降至預(yù)設(shè)水平以下時(shí)向控制器發(fā)出信號(hào)。

評(píng)估模塊bq25504EVM-674可用于檢查升壓/充電器IC的功能。配備提供3.1 VDC最大電壓為超級(jí)電容器充電，欠壓編程為2.2 VDC。

結(jié)論

在短短幾年內(nèi)，服裝和室內(nèi)裝潢面料將不僅包含其纖維內(nèi)的能量收集技術(shù)，使用光伏和壓電技術(shù)，以及結(jié)合超級(jí)電容器和電池的最佳功能的儲(chǔ)能元件。靈活性和耐用性是受歡迎的特性，但它們需要滿足傳統(tǒng)能量收集和存儲(chǔ)設(shè)備的性能水平?？赡懿痪弥罂刂齐娮釉O(shè)備成為可穿戴應(yīng)用的限制因素，而不是現(xiàn)在的情況下的能量存儲(chǔ)組件。