Новейшие носимые устройства, такие как Galaxy Ring от Samsung и Vision Pro от Apple, продвигают здравоохранение на шаг вперед и даже позволяют людям работать виртуально. Учитывая характеристики носимых устройств, которые требуют, чтобы они были небольшими и легкими, существует неизбежное ограничение емкости аккумулятора, которое по-прежнему представляет собой технический барьер для включения множества функций. Чтобы носимые устройства полностью реализовали свой потенциал, необходимо разработать более легкий и «больше из меньшего» метода хранения энергии.
Совместная исследовательская группа под руководством доктора Хёнсу Чон и Намдона Кима из Центра функциональных композитных материалов филиала Чонбук и доктора Сынмина Кима из Центра углеродных термоядерных материалов разработала волокнообразный электродный материал, который может накапливать энергию. Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.
Волокна прочные, легкие и очень гибкие, что обеспечивает большую свободу в выборе форм-факторов носимых устройств и возможность придания им различных форм и применений.
Волокна углеродных нанотрубок гибкие, легкие и обладают превосходными механическими и электрическими свойствами , что делает их перспективным материалом для носимых устройств. Однако из-за их небольшой удельной поверхности и отсутствия электрохимической активности в предыдущих исследованиях они в основном использовались в качестве токосъемников и покрывали их поверхность активными материалами.
Однако этот подход не только неэкономичен из-за высокой стоимости дополнительных материалов и процессов, но также имеет высокую вероятность отделения активного материала от волокна при длительном использовании или физической деформации.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа Корейского института науки и технологий (KIST) разработала волокнистый электродный материал с высокой способностью аккумулирования энергии без необходимости использования активных материалов. Команда разработала волокна из углеродных нанотрубок, обладающие как электрохимической активностью, так и превосходными физическими свойствами путем обработки кислотой и модификации углеродных нанотрубок в виде порошка с последующим прядением их в волокна.
Волокно из модифицированных углеродных нанотрубок обладает в 33 раза большей энергоемкостью, в 3,3 раза большей механической прочностью и более чем в 1,3 раза большей электропроводностью, чем обычные волокна из углеродных нанотрубок. Более того, поскольку материал электрода для накопления энергии был разработан с использованием только волокон из чистых углеродных нанотрубок, его можно производить массово с использованием технологии мокрого прядения.
При тестировании с суперконденсаторами в форме волокон они сохранили почти 100% своих характеристик при завязывании и 95% своих характеристик после 5000 испытаний на изгиб. Они также хорошо зарекомендовали себя при вплетении в ремешки цифровых часов с использованием комбинации обычных волокон и волокон из углеродных нанотрубок после сгибания, складывания и стирки.
Доктор Ким Сын Мин из KIST сказал: «Мы подтвердили, что углеродные нанотрубки, которые в последнее время снова начали привлекать внимание в качестве проводящего материала для аккумуляторных батарей, могут использоваться в гораздо более широком диапазоне областей».
«Волокно из углеродных нанотрубок является конкурентоспособной областью, потому что у нас есть оригинальная технология, и у нас нет большого технологического разрыва с развитыми странами», — сказал доктор Хён Су Чжон, со-исследователь, добавив: «Мы продолжим наши исследования, чтобы применить это основной материал для нетипичного хранения энергии».
Другой соисследователь, доктор Нам-дон Ким, сказал: «В настоящее время мы проводим исследования по применению этой технологии для волоконных батарей с более высокой плотностью энергии , выходя за рамки суперконденсаторов».