Akumulatory tekstylne nadzieją producentów elektroniki noszonej

| Gospodarka

W dobie popularności tzw. wearables - ubrań i akcesoriów wyposażonych w komputery i czujniki, miniaturyzacja stała się jednym z największych problemów stojących przed producentami elektroniki. Powszechnie używane chemiczne źródła zasilania stają się trudną do pokonania barierą w tej miniaturyzacji.

Akumulatory tekstylne nadzieją producentów elektroniki noszonej

Tradycyjne baterie okazują się nieatrakcyjne dla użytkowników elektroniki noszonej - są kosztowne i niewygodne. W większości źródło zasilania jest zaszyte wewnątrz, z wyprowadzonym na wierzch gniazdem do podłączenia ładowarki lub po prostu wykorzystuje się ładowane indukcyjnie. Baterie wymagają wyciągania z zakamarków odzieży przy każdej wymianie. Akumulatory litowo-jonowe z kolei, okazują się zbyt duże do niektórych rozwiązań, a ich zmniejszanie odbywa się kosztem pojemności. Inteligentna odzież wymagająca ciągłego ładowania przestaje być atrakcyjna dla użytkownika.

Mikrobaterie - alternatywa dla baterii guzikowych

Mimo swoich niewielkich rozmiarów, baterie guzikowe (a tym bardziej akumulatory litowo-jonowe) nie nadają się do urządzeń subminiaturowych, takich jak cardiomonitory czy najmniejsze smartwatche. Alternatywne rozwiązanie zaproponowała kilka lat temu między innymi firma STMicroelectronics, wprowadzając na rynek mikrobaterię EnFilm - litowy akumulator o grubości 0,25 mm. Mimo grubości kartki papieru i wymiarów 2,5 na 2,5 cm, EnFilm cechuje się 1 mAh pojemności, co wystarcza w pełni na zasilenie urządzeń o niskim poborze mocy bez konieczności ich częstego ładowania. Użycie oksynotlenku litowofosforowego (LiPON) jako elektrolitu oraz kobaltanu litu i czystego litu jako elektrod pozwoliło na znaczące zwiększenie gęstości energetycznej EnFilmu względem tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych oraz uzyskanie rezystancji wewnętrznej wynoszącej jedynie 100 Ω.

Mikrobaterie znajdują również zastosowanie w sektorze medycznym jako zasilanie dla noszonych na co dzień drobnych, lecz mimo to niezbędnych, urządzeń, takich jak aparaty słuchowe czy pompy insulinowe. Dzięki mniejszym rozmiarom urządzeń pacjenci nie odczuwają tak negatywnie konieczność ich codziennego noszenia, a większa wydajność energetyczna znacząco zwiększa ich mobilność - urządzenia nie trzeba ładować tak często. Liczni producenci mikrobaterii, tacy jak Varta czy wspomniane STMicroeletronics, przeprowadzili testy i badania udowadniające brak cytotoksyczności nawet nieosłoniętego akumulatora, co otwiera furtkę do uznania ich za w pełni biokompatybilne.

 
Rys. 1. Mikrobateria EnFilm
 
Rys. 2. Gotowe do działania akumulatory tekstylne

Akumulator tekstylny - przyszłość inteligentnej odzieży?

Niestety, mimo swoich parametrów oraz rozmiarów, mikrobaterie nie nadają się jako źródło zasilania do inteligentnej odzieży - są zbyt kruche i łamliwe. Odzież, co oczywiste, narażona jest na ciągłe zginanie, rozciąganie czy zgniatanie, mikrobaterie ulegałyby zbyt szybko uszkodzeniom mechanicznym. Z pomocą przychodzi zaprojektowany przez naukowców z politechniki w Hongkongu (PolyU) tekstylny akumulator litowy. Stworzone przez nich ogniwo o grubości 0,5 mm oraz promieniu zgięcia poniżej 1 mm osiągnęło gęstość energetyczną ponad 450 Wh/l, w pełni wystarczającą na potrzeby zasilenia inteligentnej odzieży oraz najmniejszych smartwatchy. Badania laboratoryjne wykazały, że nawet w przypadkach wielokrotnego złożenia na pół, skręcania czy nawet zgniecenia akumulator dostarcza ciągle energię i nie traci swoich właściwości. Przeprowadzone badania bezpieczeństwa udowodniły również, że przebicie lub przecięcie akumulatora nie doprowadzi do zapłonu lub jego eksplozji, tak jak może się to stać w przypadku tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych.

Naukowcy z PolyU wykorzystali swoją technologię PAMD (Polymer-Assisted Metal Deposition), nakładając na tekstylny materiał cienką warstwę przewodnika elektrycznego w postaci stopu miedzi i niklu. Przygotowany w ten sposób zmetalizowany tekstylny materiał o niskiej oporności służy jako kolektor, na który następnie nakładane są substancje aktywne służące jako katoda i anoda oraz elektrolit. Niestety z uwagi na ograniczenia patentowe nie podano dokładnego składu chemicznego substancji aktywnych ani innych szczegółów. Niemniej pomysł został doceniony podczas 47. edycji International Exhibition of Inventions w Genewie, gdzie zespół z PolyU otrzymał aż 3 nagrody.

Wraz z rosnącym znaczeniem technologii mobilnych zapotrzebowanie na coraz mniejszą elektronikę stale rośnie a użytkownicy wymagają od produktów możliwości ich komfortowego używania bez konieczności stałego ładowania. Nakładający się na to szybki rozwój rynku IoT zmusza producentów do szukania coraz nowszych rozwiązań zasilających. Mimo ciągle trwających badań nad energią wolnodostępną - tzw. energy harvesting, w dalszym ciągu to właśnie akumulatory i baterie jednorazowe pozostają głównym źródłem zasilania dla urządzeń elektronicznych, a od możliwości ich miniaturyzacji zależy rozmiar reszty komponentów.

PM

Zobacz również