Forskare har uppfunnit ett "batteri" som laddas från fukt i luften

Ett team av forskare från College of Design and Engineering vid National University of Singapore (NUS) har utvecklat en ultratunn enhet för att generera elektricitet med hjälp av fukt från luft (MEG). Den är gjord av ett tunt lager tyg ca 0,3 mm tjockt, havssalt, kolbläck och en speciell vattenabsorberande gel. Detta tekniska genombrott publicerades i den tryckta versionen av den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials 26 maj 2022. Genom att använda havssalt som en miljövänlig fuktabsorbent ger detta tygliknande "batteri" en högre elektrisk effekt än ett vanligt AA-batteri. Den kan potentiellt användas för att driva vardagselektronik.

Konceptet med MEG-enheter bygger på olika materials förmåga att generera elektricitet genom att interagera med fukt i luften. Detta område är av intresse på grund av dess potential att användas för att driva en mängd olika enheter, inklusive personlig elektronik, elektroniska hudsensorer och informationslagringsenheter.

Huvudproblemen med modern MEG-teknik är vattenmättnad av enheten under påverkan av miljöfuktighet och otillfredsställande elektriska egenskaper. Det vill säga att den elektriska energin som produceras av sådana enheter inte är hållbar och inte heller tillräcklig för att driva enheterna.

För att övervinna dessa utmaningar utvecklade en forskargrupp ledd av docent Tan Swee Ching från CDE:s institution för materialvetenskap och teknik en ny MEG-enhet som innehåller två regioner med olika egenskaper. NUS-teamets MEG-enhet består av ett tunt lager av vävnad belagd med kolnanopartiklar. I sin studie använde teamet kommersiellt tillgänglig trämassa och polyestertyg.

Det "våta" området av vävnaden är täckt med en hygroskopisk jonisk hydrogel. Tack vare användningen av havssalt kan en speciell vattenabsorberande gel absorbera sex gånger sin ursprungliga vikt av fukt. Det är han som ansvarar för att samla upp fukt från luften. Det "torra" området på tyget mittemot innehåller inget hygroskopiskt lager. Detta är nödvändigt så att absorptionen av vatten var begränsad till det "våta" området.

Energin genereras när havssaltjonerna separeras genom att absorbera vatten i det "våta" området. Fria joner med positiv laddning (katjoner) absorberas av kolnanopartiklar, som har en negativ laddning. Detta orsakar förändringar på tygets yta, vilket skapar ett elektriskt fält på det. Dessa förändringar gör det också möjligt för vävnaden att lagra energi för senare användning.

Genom att använda en kombination av "våta" och "torra" områden på tyget är det möjligt att säkerställa en hög fukthalt i den förra och en låg fukthalt i den senare. Detta gör att den elektriska effekten kan bibehållas även när det "våta" området är mättat med vatten. Efter att "batteriet" lämnats i en öppen, fuktig miljö i 30 dagar, hölls fukt fortfarande kvar i det "våta" området, vilket visar enhetens effektivitet när det gäller att upprätthålla elektrisk kraft.

Singapore-teamets design visade också hög flexibilitet och kunde stå emot vridning, rullning och böjning. Forskarna visade flexibiliteten hos "batteriet" genom att vika det till en origamikran, vilket inte påverkade dess prestanda. MEG-enheten kan redan vara användbar på grund av enkel skalning och kommersiellt tillgängliga råmaterial.

"Efter att ha absorberat vatten kan ett enda 1,5x2 cm stycke energigenererande tyg ge upp till 0,7V i över 150 timmar i en konstant miljö", sade Dr Zhang Yaoxing från forskargruppen.

NUS-teamet demonstrerade också framgångsrikt skalbarheten hos sin nya energienhet för olika applikationer. NUS-teamet kopplade ihop tre delar av detta "tyg" och placerade dem i ett 3D-utskrivet fodral ungefär lika stort som ett standard AA-batteri. Spänningen på den monterade enheten var 1,96 V.

Skalbarheten hos NUS-uppfinningen, bekvämligheten med att erhålla kommersiellt tillgängliga råmaterial och den låga tillverkningskostnaden gör denna uppfinning lämplig för massproduktion. Forskarna har redan ansökt om ett patent och planerar att utforska potentiella kommersialiseringsstrategier för verkliga tillämpningar.

Läs också:

• Det nya materialet kommer att tillåta robotar att känna beröring
• Intel vs AMD: TOP 10 bästa PC-processorer

Du kan hjälpa Ukraina att slåss mot de ryska inkräktarna. Det bästa sättet att göra detta är att donera medel till Ukrainas väpnade styrkor genom Rädda liv eller via den officiella sidan NBU.