ウェアラブル テキスタイルが体の動きからエネルギーを捕らえてデバイスに電力を供給

2023 年 6 月 5 日

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清華大学出版局

ナノ科学者たちは、体の動きを使用可能な電気に変換し、そのエネルギーを保存することもできるウェアラブル繊維を開発しました。 このファブリックは、医療モニタリングからアスリートやコーチのパフォーマンス追跡支援、さらには衣服上のスマートディスプレイまで、幅広い用途に応用できる可能性があります。

このテキスタイルを担当する研究チームは、Nano Research Energy に掲載された論文の中で、テキスタイルがどのように機能するかを説明しています。

スマート ウォッチからコードレス ヘッドフォンに至るまで、人々はすでにさまざまなウェアラブル電子デバイスにアクセスできます。 さまざまな健康、スポーツ、アクティビティのモニターがスマートフォンに統合されています。

しかし、このようなセンサーの精度は、身体上またはその近くに設置できる場所が限られているため依然として制限されており、多くの健康およびスポーツの専門家がそのような技術に対して抱いている野心と比較すると、応用範囲が狭い範囲に限定されています。

将来、高度な生地が開発できれば、おそらくシャツ、パンツ、下着、帽子に組み込まれたウェアラブル電子デバイスが、虚弱の指標を追跡して加齢関連疾患のリスクを評価したり、コルチゾールレベルを監視してストレスレベルを追跡したり、あるいは、世界的なパンデミック監視ネットワークの一部として病原体を検出することさえできます。

ウェアラブルエレクトロニクスを次のレベルに引き上げ、健康モニター、スポーツセンサー、ナビゲーションシステム、アクティビティトラッカーを軽量で目立たず、かさばらない方法で衣服に統合するには、依然として先進的なテキスタイルにおける大きな進歩が必要です。

既存のウェアラブルエレクトロニクスの課題の 1 つは、デバイスにエネルギーを供給するコンポーネントの柔軟性、つまりウェアラビリティの制限に起因しています。 さらに、エネルギー供給ユニットはデバイスと簡単に統合でき、環境意識が高まる時代においては持続可能である必要があります。 これらすべてに加えて、既存のエネルギー貯蔵技術の容量は非常に限られています。 バッテリーとスーパーキャパシタはエネルギーを蓄えることができますが、外部電源がなければエネルギーを自発的に生成することはできません。

「バッテリーは装着感もあまり快適ではありません」と、論文の筆頭著者であり、中国科学院北京ナノエネルギー・ナノシステム研究所のナノシステム専門家であるフェイファン・シェン氏は述べた。 「したがって、ウェアラブルで自己充電可能な電源の開発が重要です。」

Dong 教授のナノ科学者チームは、彼らが「ファイバー TENG」と呼ぶものを作成しました。これは、特定の材料が別の異なる材料と摩擦接触した後に帯電する摩擦電気効果を利用した、柔軟で編みやすく、着用可能な構造です。 たとえば、一般的な静電気には、摩擦電気効果による接触誘起の帯電が含まれます。

繊維 TENG は、ポリ乳酸層 (3D プリンティングで一般的に使用されるポリエステルの一種)、還元酸化グラフェン層 (非常に手頃な価格のグラフェンの一種)、ポリピロール層 (3D プリンティングですでに広く使用されているポリマー) の 3 層で構成されています。エレクトロニクスと医療）。

繊維 TENG が、その繊維で編まれた衣服を着ている人による曲げや伸びなどの機械的変形を受けると、ポリ乳酸層と還元された酸化グラフェン層の間の接触によって発生した摩擦電荷が、ポリピロール層。 このプロセスにより、発電ユニットとして使用できる電気出力が生成されます。

ファイバー TENG 開発の鍵となったのは、繊維に統合されたエネルギー貯蔵施設である同軸ファイバー状スーパーキャパシター (ファイバー SC) に使用する酸化グラフェン ファイバーを調製するために使用される新しいプロセスでした。 同軸構造により、曲げたりひねったりした際の安定性に優れています。

このプロセスには、還元酸化グラフェン (rGO) 繊維の表面に活性物質 (電気エネルギーを貯蔵および放出できる物質) を追加することが含まれます。 まず、研究者らはヨウ化水素酸を使用して rGO ファイバーを生成しました。 次に、電着と呼ばれるプロセス (電流を印加して表面に材料を堆積させる方法) を使用して、2 つの活性材料、二酸化マンガン (MnO2) とポリピロール (PPy) を rGO 繊維の表面に追加します。

これにより、ファイバー SC で使用される rGO-PPy-MnO2 と呼ばれる負極材料が作成されました。 次に、多層カーボン ナノチューブ (MWCNT) をポリビニル アルコールとリン酸電解質で rGO-PPy-MnO2 の表面に均一にコーティングすることにより、正極材料を作成しました。

研究者らは、自社の繊維 TENG テキスタイルをテストしたところ、高いエネルギー密度と充電と放電サイクルにわたる長期間の安定性を実現し、ウェアラブルなエネルギーの生成と貯蔵を実現する可能性を高めていることを発見しました。

チームは現在、実際の用途におけるテキスタイルの潜在的な用途の探索を開始したいと考えています。 このためには、パワーテキスタイルの設計と製造プロセスを最適化し、さまざまな条件下でのその性能を調査するとともに、実験室を超えて商業運転で実行可能な拡張可能な製造プロセスを開発する必要があります。

詳しくは： Feifan Sheng et al、身体自己充電電力システムとしてのウェアラブルエネルギーハーベスティングとストレージのハイブリッドテキスタイル、Nano Research Energy (2023)。 DOI: 10.26599/NRE.2023.9120079

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