Termin “ubieralna” elektronika (z ang. wearable technology) odnosi się do ubrań i akcesoriów, które posiadają wbudowane urządzenia elektroniczne. Tegoroczne premiery okularów Google Glass czy zegarka Samsung Galaxy Gear pokazały, że abstrakcyjne koncepcje elektronicznej odzieży można realizować w rzeczywistości. Minikomputery, kamery, baterie połączone z naszymi ubraniami powoli przestają być pieśnią przyszłości.
Integracja układów scalonych z włóknami podkoszulka, swetra, czy spodni od lat spędza sen z oczu naukowców. Informowaliśmy już o elastycznych ogniwach słonecznych wplecionych w tkaniny oraz przewodzących ubraniach z warstwami nanosrebra. Teraz naukowcy z Korei Południowej zbudowali jedną z najbardziej trwałych baterii zintegrowaną z włóknami poliestrowymi. Bateria, która może zostać wszyta w koszulkę wytrzyma ponad 10 000 złożeń bez utraty funkcji.
Naukowcy z KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) są zdania, że przeszkodą w masowej produkcji tekstylnych baterii był brak materiałów utrzymujących swoje właściwości przy wielokrotnym wyginaniu. Nie sposób uniknąć zagięcia ubrania podczas czynności, które wykonujemy na co dzień. Próby z elektrodami wykonanymi z folii metalowych zakończyły się fiaskiem, gdyż elektroniczne elementy odzienia ulegały uszkodzeniu po kilku złożeniach. Elektrody wykonane poprzez zanurzenie tkanin w roztworach z nanorurkami węglowymi były bardziej trwałe, ale ich opór elektryczny był stosunkowo wysoki, co ograniczało rozmiary baterii oraz jej całkowitą pojemność.
Zespół badaczy pod kierownictwem Jang Wook Choia podjął wyzwanie i zaprezentował ubieralną, tekstylną baterię zintegrowaną z elastycznymi panelami słonecznymi. Kluczem okazało się zastosowanie kilku materiałów, których połączenie na pierwszy rzut oka wydaje się bardzo nietypowe. Naukowcy za pomocą galwanizacji osadzili cienkie powłoki niklowe na poliestrowej tkaninie. Nikiel jest bardzo dobrym przewodnikiem, a jego zespolenie z włóknami poliestrowymi zapewniło odpowiednią elastyczność. Giętki materiał miał bardzo niskią rezystancję elektryczną (na poziomie 0,35 Ω/cm^2), zachowując jednocześnie własności mechaniczne. Uzyskana oporność porównywalna była do tej, jaką posiada czysta warstwa niklu. Niemniej ważnym elementem był poliuretan. Polimer został wykorzystany jako środek wiążący wszystkie komponenty i oddzielający katody od anod. Do budowy ostatnich wykorzystano materiały znane z tradycyjnych baterii litowo-jonowych.
Na gotowej baterii inżynierowie umieścili niewielkie, elastyczne panele słoneczne bazujące m.in. na materiałach polimerowych. Solarne komórki zbudowane były z warstw PEN, ITO, PEDOT:PSS, PCDTBT:PC70BM, TiOx, Al. Naukowcy zintegrowali z baterią sześć małych paneli podpiętych szeregowo.
Ubieralna, zasilana światłem bateria została poddana testom na trwałość. Specjalnie przygotowana maszyna składała i rozkładała prototyp jak harmonijkę ponad 10 000 razy (test można zobaczyć TUTAJ). Po wykonaniu 5500 powtórzeń model posiadał 91,8% pierwotnej pojemności. Po zakończeniu wymagającego badania bateria dalej działała. Zespół przypisuje obniżenie pojemności mechanicznym ruchom, które według nich utrudniały sprawny transport jonów.
Tekstylna bateria storzona przez naukowców z KAIST może być wszywana w ubrania i paski do zegarków. Zastosowanie zintegrowanych, elastycznych paneli słonecznych pozwala na naładowanie baterii bez potrzeby usuwania jej z odzieży. Bateria jest szczelnie zapakowana, więc gdy ubranie się pobrudzi można je spokojnie wrzucić do pralki.
Kolejnym krokiem zespołu będzie zastosowanie materiałów, które mogą magazynować więcej energii elektrycznej. Dotychczas naukowcy korzystali z fosforanu litu i żelaza (LiFePO4) na katodzie oraz tlenku tytanu i litu (Li4Ti5O12) na anodzie. Inżynierowie twierdzą, że zastosowanie anody węglowej zwiększy napięcie baterii, które określa ilość energii jaką urządzenie może dostarczyć oraz szybkość ładowania. Obecnie wynosi ono około 2,5 V, a twórcy chcą osiągnąć poziom 3,8 V.
Źródło:
[1] Wearable Textile Battery Rechargeable by Solar Energy. Nano Letters, 2013, 13 (11), pp 5753–5761. DOI: 10.1021/nl403860k. Publication Date (Web): October 28, 2013
[2] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl403860k/suppl_file/nl403860k_si_001.pdf | 14.11.2013
[3] http://cen.acs.org/articles/91/web/2013/11/Tough-Textile-Batteries.html | 14.11.2013
[4] Wearable Technology: Digital Overload of The World to Infinity, Part I by Keoni Cabral, flickr.com, CC BY 2.0