通过MXene纺织超级电容器贴片为可穿戴技术供电

德雷塞尔大学的研究人员离使可穿戴纺织品技术成为现实又近了一步。最近发表在《材料化学杂志A》上，德雷克塞尔工程学院的材料科学家与埃森哲实验室的一个团队合作，报告了一种柔性可穿戴超级电容器贴片的新设计。它使用2011年在德雷塞尔大学发现的一种材料MXene来制造一种基于纺织品的超级电容器，可以在几分钟内充电，并为Arduino微控制器温度传感器和数据无线电通信供电近两个小时。

“这是可穿戴技术的重大发展，”杰出大学Yury Gogotsi博士和德雷克塞尔工程学院巴赫教授说，他是该研究的合著者。“为了将技术完全集成到织物中，我们还必须能够无缝集成其电源 - 我们的发明为纺织储能设备指明了前进的道路。

该研究与Gogotsi的本科生和博士后学生，功能性织物中心教授兼主任Genevieve Dion以及加利福尼亚州埃森哲实验室的研究人员共同撰写，该研究建立在先前的研究基础上，该研究着眼于MXene功能化纺织品的耐用性，导电性和储能容量，这些纺织品没有推动优化纺织品，为LED灯等无源设备以外的电子设备供电。最新的研究表明，它不仅可以承受纺织品的严酷考验，而且还可以存储和提供足够的电力来运行可编程电子设备，收集和传输环境数据数小时 - 这一进展可以使其用于医疗保健技术。

“虽然有许多材料可以集成到纺织品中，但MXene比其他材料具有明显的优势，因为它具有天然的导电性和作为稳定的胶体溶液分散在水中的能力。这意味着纺织品可以很容易地涂上MXene，而无需使用化学添加剂 - 以及额外的生产步骤 - 让MXene粘附在织物上，“德雷克塞尔工程学院的博士研究员Tetiana Hryhorchuk说。“因此，我们的超级电容器显示出高能量密度，并实现了功能性应用，例如为可编程电子设备供电，这是将基于纺织品的能量存储实施到现实生活中所必需的。

德雷克塞尔的研究人员一直在探索将MXene(一种导电二维纳米材料)改编为一种涂层的可能性，这种涂层可以为各种材料注入导电性、耐用性、抗电磁辐射性和储能等卓越性能。

最近，该团队研究了使用导电MXene纱线来制造能够感知和响应温度，运动和压力的纺织品的方法。但是，为了将这些织物设备完全集成为“可穿戴设备”，研究人员还需要找到一种方法将电源编织到组合中。

“到目前为止，由于当前可用材料和技术的性能指标不足，大多数电子纺织系统中仍然缺少灵活，可拉伸和真正的纺织品级储能平台，”研究小组写道。“以前的研究报告了足够的机械强度来承受工业针织。但是，演示的应用仅包括简单的设备。

该团队着手设计其MXene纺织超级电容器贴片，目标是最大限度地提高储能容量，同时使用最少量的活性材料和占用最小的空间，以降低总体生产成本并保持服装的柔韧性和耐磨性。

为了制造超级电容器，该团队只需将编织棉纺织品的小样本浸入MXene溶液中，然后分层在氯化锂电解质凝胶上。每个超级电容器电池由两层MXene涂层纺织品和电解质隔板组成，电解质隔板也由棉纺织品制成。为了制作一个具有足够功率的补丁来运行一些有用的设备(在这种情况下是Arduino可编程微控制器)，该团队堆叠了五个电池，以创建一个能够充电到6伏的电源组，与通常用于为高尔夫球车，电灯或跳跃启动车辆供电的较大矩形电池相同。

“我们来到了一个面积为25平方厘米的浸涂五电池堆栈的优化配置，以产生为可编程设备供电所需的电气负载，”工程学院博士研究员Alex Inman说。“我们还对电池进行真空密封，以防止性能下降。这种包装方法可能适用于商业产品。

性能最佳的纺织超级电容器为Arduino Pro Mini 3.3V微控制器供电，该微控制器能够每30秒无线传输温度96分钟。它始终保持这种性能水平超过 20 天。

Gogotsi说：“MXene纺织超级电容器为实用的外围电子系统供电的初步报告证明了该系列二维材料在支持各种设备方面的潜力，例如运动跟踪器和灵活的纺织形式的生物医学监视器。

研究小组指出，这是纺织能源设备有记录以来最高的总功率输出之一，但仍可以改进。随着他们继续开发该技术，他们将测试不同的电解质和纺织电极配置以提升电压，并以各种可穿戴形式进行设计。

“现有电子纺织设备的电源仍然在很大程度上依赖于锂聚合物和纽扣电池等传统形式因素，”研究人员写道。“因此，大多数电子纺织系统不使用包括灵活储能在内的柔性电子纺织架构。本研究中开发的MXene超级电容器填补了这一空白，提供了一种基于纺织品的储能解决方案，可以为柔性电子产品供电。

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