Мягкие, дышащие и облегающие электронные текстильные изделия однажды могут предоставить пользователям носимых устройств возможность отслеживать своё здоровье и физическую активность с беспрецедентной лёгкостью.
Для поддержки таких текстильных электронных компонентов необходимы стабильные выходные мощности. Однако человеческое тело динамично — оно сгибается, скручивается и растягивается, особенно во время упражнений. Интегрированные в одежду батареи также должны сохранять свою эффективность при таких условиях.
Учёные из Китая разработали растяжимую пряжу с батареей, которая может использовать человеческий пот в качестве электролита для выработки энергии при различных нагрузках.
Важно отметить, что выходное напряжение технологии оставалось стабильным после 2000 циклов растяжения, 20 циклов в коммерческой стиральной машине и хранения в обычных условиях в течение 7 месяцев.
Чжисон Лу, профессор Юго-Западного университета в Китае, говорит, что растяжимая пряжа с батареей, активируемой потом, «может быть масштабирована до производства метровой длины с помощью специально разработанной обёрточной машины и легко интегрирована в электронные текстильные изделия с помощью традиционных методов, таких как ткачество, вязание, шитьё и сшивание».
Команда Лу интегрировала пряжу с батареей в повязку на голову и футболку, которые могли питать светодиоды и шагомер соответственно после впитывания пота от испытуемых добровольцев.
«Тесты на коже показывают, что растяжимые батареи с активацией от пота можно интегрировать в текстиль, контактирующий с кожей, в качестве безопасного источника энергии», — говорит Лу.
Выходное напряжение пряжи с батареей изменялось менее чем на 0,5% при динамическом растяжении благодаря продуманной конструкции.
«В качестве растяжимого сердечника была выбрана эластичная пряжа», — пишут Лу и соавторы в статье, представляющей технологию в журнале Wearable Electronics.
Сравнение желаемой устойчивой к деформации растяжимой батареи и обычной растяжимой батареи, страдающей от изменения напряжения при деформации.
«Цинковая проволока, обмотанная хлопковым волокном, и углеродная пряжа были обёрнуты параллельно вдоль поверхности сердечника, чтобы сформировать слой оболочки».
«Хлопковые волокна быстро направляют пот для соединения соседних цинковых проводов (анод) и углеродной пряжи (катод), активируя батарею». Они также действовали как сепаратор, предотвращая прямой контакт анода и катода и короткое замыкание.
«Кольцевая конфигурация поверхностно-обёрнутых электродов позволяет им растягиваться и восстанавливаться вместе с эластичным сердечником», — пишут авторы.
Колебания электродов были плотно намотаны вокруг эластичного сердечника для поддержания соединения за счёт минимизации «расстояния между соседними электродами во время растяжения». Сердечник также был обмотан «гидрофильными» (впитывающими воду) полиэфирными волокнами, которые удерживали пот и позволяли ионам лучше перемещаться между электродами.
«Наша цель — создать растяжимую пряжу с батареей со сверхстабильным выходом мощности при различных нагрузках», — говорит Лу.
«Батарея устраняет разрыв между растяжимостью и стабильностью выхода, что является серьёзной давней проблемой для растяжимых источников питания».
Авторы отмечают, что на производительность технологии могут влиять «повседневное использование, условия окружающей среды и изменения в составе пота», и что «эти факторы требуют дальнейшего изучения в будущих исследованиях».