使用MXene纺织超级电容器贴片为可穿戴技术供电

德雷克塞尔大学的研究人员距离使可穿戴纺织技术成为现实又近了一步。最近发表在英国皇家化学会的材料化学杂志A上，来自德雷克塞尔工程学院的材料科学家与埃森哲实验室的一个团队合作，报告了一种柔性可穿戴超级电容器贴片的新设计。它使用 MXene，一种 2011 年在德雷克塞尔大学发现的材料，创建了一种基于纺织品的超级电容器，可以在几分钟内充电并为 Arduino 微控制器温度传感器和无线电数据通信提供近两个小时的电力。

“这是可穿戴技术的一项重大发展，”该研究的合著者、著名大学和德雷克塞尔工程学院巴赫教授Yury Gogotsi说。“要将技术完全集成到织物中，我们还必须能够无缝集成其电源——我们的发明为纺织储能设备指明了前进的道路。”

与 Gogotsi 的本科生和博士后共同撰写;加利福尼亚州埃森哲实验室功能织物中心教授兼主任Genevieve Dion教授和研究人员表示，这项研究建立在之前研究的基础上，该研究着眼于 MXene 功能化纺织品的耐用性、导电性和储能能力，但并未推动优化纺织品为 LED 灯等无源设备以外的电子设备供电。最新的研究表明，它不仅可以承受作为纺织品的严酷考验，而且还可以储存和提供足够的能量来运行可编程电子设备，收集和传输环境数据数小时——这一进步可以将其用于医疗保健技术。

“虽然有许多材料可以集成到纺织品中，但 MXene 与其他材料相比具有明显的优势，因为它具有天然的导电性和作为稳定的胶体溶液分散在水中的能力。这意味着纺织品可以很容易地涂上 MXene，而无需使用化学添加剂和额外的生产步骤，以使 MXene 粘附在织物上，”该学院的博士研究员兼合著者 Tetiana Hryhorchuk 说。“因此，我们的超级电容器显示出高能量密度并支持功能性应用，例如为可编程电子设备供电，这是将基于纺织品的储能应用到现实生活中所必需的。”

Drexel 研究人员一直在探索将 MXene(一种导电二维纳米材料)用作涂层的可能性，该涂层可以赋予各种材料以导电性、耐用性、电磁辐射抗渗性和储能等特殊性能。

最近，该团队研究了使用导电 MXene 纱线来制造可感知和响应温度、运动和压力的纺织品的方法。但要将这些织物设备完全集成为“可穿戴设备”，研究人员还需要找到一种将电源融入其中的方法。

研究团队写道：“由于当前可用材料和技术的性能指标不足，到目前为止，大多数电子纺织品系统仍然缺少灵活、可拉伸和真正纺织级的储能平台。” “先前的研究报告了足够的机械强度来承受工业针织。然而，演示的应用程序只包括简单的设备。”

该团队着手设计其 MXene 纺织超级电容器贴片，目标是最大限度地提高储能能力，同时使用最少的活性材料并占用最少的空间——以降低总体生产成本并保持柔性和耐磨性服装。

为了制造超级电容器，该团队只需将小块机织棉织物浸入 MXene 溶液中，然后将其涂在氯化锂电解质凝胶上。每个超级电容器电池由两层 MXene 涂层纺织品和同样由棉纺织品制成的电解质隔板组成。为了制作一个具有足够功率以运行一些有用设备(在本例中为 Arduino 可编程微控制器)的贴片，该团队堆叠了五个电池以创建一个能够充电至 6 伏的电源组，与通常用于供电的较大矩形电池相同高尔夫球车、电灯或用于启动车辆。

“我们采用了面积为 25 平方厘米的浸涂五电池堆的优化配置，以产生为可编程设备供电所需的电负载，”工程学院博士研究员 Alex Inman 说，论文的共同作者。“我们还对电池进行了真空密封，以防止性能下降。这种包装方法可能适用于商业产品。”

性能最佳的纺织超级电容器为 Arduino Pro Mini 3.3V 微控制器供电，该微控制器能够每 30 秒无线传输一次温度，持续 96 分钟。它在 20 多天的时间里始终保持这种性能水平。

Gogotsi 说：“为实用外围电子系统供电的 MXene 纺织超级电容器的初步报告表明，该二维材料系列具有支持各种设备的潜力，例如运动跟踪器和生物医学监视器等灵活的纺织形式。”

研究小组指出，这是纺织能源设备有记录以来最高的总功率输出之一，但仍有改进空间。随着他们继续开发这项技术，他们将测试不同的电解质和纺织电极配置以提高电压，并将其设计成各种可穿戴形式。

研究人员写道：“现有电子纺织设备的电力仍然在很大程度上依赖于传统的外形因素，如锂聚合物和纽扣锂电池。” “因此，大多数电子纺织系统不使用包括灵活储能的灵活电子纺织架构。在这项研究中开发的 MXene 超级电容器填补了空白，提供了一种基于纺织品的储能解决方案，可以为柔性电子设备提供动力。”