19.08.2022 - National University of Singapore

Forscher erfinden selbstaufladendes, ultradünnes Gerät, das Strom aus Luftfeuchtigkeit erzeugt

Diese wiederaufladbare, stoffähnliche "Batterie" bietet eine höhere elektrische Leistung als eine herkömmliche AA-Batterie

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Strom erzeugen, indem Sie die Feuchtigkeit in der Luft um Sie herum mit ganz alltäglichen Dingen wie Meersalz und einem Stück Stoff nutzen oder sogar alltägliche Elektronik mit einer ungiftigen Batterie betreiben, die so dünn wie Papier ist. Ein Forscherteam des College of Design and Engineering (CDE) der National University of Singapore (NUS) hat ein neues Gerät zur feuchtigkeitsgesteuerten Stromerzeugung (MEG) entwickelt, das aus einer dünnen Stoffschicht - etwa 0,3 Millimeter (mm) dick -, Meersalz, Kohlenstofftinte und einem speziellen wasserabsorbierenden Gel besteht.

Das Konzept der MEG-Geräte beruht auf der Fähigkeit verschiedener Materialien, durch die Wechselwirkung mit der Luftfeuchtigkeit Strom zu erzeugen. Dieser Bereich stößt auf wachsendes Interesse, da er ein breites Spektrum an realen Anwendungen ermöglicht, darunter selbstversorgte Geräte wie tragbare Elektronikgeräte wie Gesundheitsmonitore, elektronische Hautsensoren und Informationsspeicher.

Zu den größten Herausforderungen der derzeitigen MEG-Technologien gehören die Wassersättigung des Geräts, wenn es der Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt ist, und eine unbefriedigende elektrische Leistung. So reicht die von herkömmlichen MEG-Geräten erzeugte Elektrizität nicht aus, um elektrische Geräte zu betreiben, und ist auch nicht nachhaltig.

Um diese Probleme zu überwinden, entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Tan Swee Ching vom Fachbereich Materialwissenschaften und Ingenieurwesen des CDE ein neuartiges MEG-Gerät, das zwei Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften enthält, um den Unterschied im Wassergehalt zwischen den Bereichen dauerhaft aufrechtzuerhalten und so Strom zu erzeugen und eine elektrische Leistung über Hunderte von Stunden zu ermöglichen.

Dieser technologische Durchbruch wurde am 26. Mai 2022 in der gedruckten Ausgabe der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Langlebige, selbstaufladende "Batterie" auf Gewebebasis

Das MEG-Gerät des NUS-Teams besteht aus einer dünnen Gewebeschicht, die mit Kohlenstoffnanopartikeln beschichtet wurde. In ihrer Studie verwendete das Team ein handelsübliches Gewebe aus Holzzellstoff und Polyester.

Ein Bereich des Gewebes ist mit einem hygroskopischen ionischen Hydrogel beschichtet und wird als Nassbereich bezeichnet. Das aus Meersalz hergestellte spezielle wasserabsorbierende Gel kann mehr als das Sechsfache seines ursprünglichen Gewichts aufnehmen und dient dazu, Feuchtigkeit aus der Luft zu gewinnen.

"Meersalz wurde als wasserabsorbierende Substanz gewählt, weil es ungiftig ist und eine nachhaltige Option für Entsalzungsanlagen darstellt, um das anfallende Meersalz und die Sole zu entsorgen", erklärt Prof. Tan.

Das andere Ende des Gewebes ist der trockene Bereich, der keine hygroskopische ionische Hydrogelschicht enthält. Damit soll sichergestellt werden, dass dieser Bereich trocken bleibt und das Wasser auf den feuchten Bereich beschränkt wird.

Sobald das MEG-Gerät zusammengebaut ist, wird Elektrizität erzeugt, wenn die Meersalzionen getrennt werden, während das Wasser im feuchten Bereich absorbiert wird. Freie Ionen mit einer positiven Ladung (Kationen) werden von den Kohlenstoff-Nanopartikeln absorbiert, die negativ geladen sind. Dadurch verändert sich die Oberfläche des Gewebes, und es entsteht ein elektrisches Feld an der Oberfläche. Diese Veränderungen an der Oberfläche verleihen dem Gewebe auch die Fähigkeit, Elektrizität für eine spätere Verwendung zu speichern.

Durch ein einzigartiges Design von Nass-Trocken-Bereichen konnten die NUS-Forscher einen hohen Wassergehalt im Nassbereich und einen niedrigen Wassergehalt im Trockenbereich aufrechterhalten. Dadurch wird die elektrische Leistung auch dann aufrechterhalten, wenn der feuchte Bereich mit Wasser gesättigt ist. Nach 30 Tagen in einer offenen, feuchten Umgebung blieb der Wassergehalt in der feuchten Region erhalten, was die Effektivität der Vorrichtung bei der Aufrechterhaltung der elektrischen Leistung beweist.

"Mit dieser einzigartigen asymmetrischen Struktur ist die elektrische Leistung unseres MEG-Bauelements im Vergleich zu früheren MEG-Technologien deutlich verbessert, so dass es viele gängige elektronische Geräte wie Gesundheitsmonitore und tragbare Elektronik mit Strom versorgen kann", erklärte Prof. Tan.

Das MEG-Gerät des Teams zeigte auch eine hohe Flexibilität und konnte Belastungen durch Verdrehen, Rollen und Biegen standhalten. Interessanterweise zeigten die Forscher ihre herausragende Flexibilität, indem sie den Stoff zu einem Origami-Kran falteten, was die elektrische Gesamtleistung des Geräts nicht beeinträchtigte.

Tragbare Stromversorgung und mehr

Das MEG-Gerät ist aufgrund seiner einfachen Skalierbarkeit und der kommerziell verfügbaren Rohstoffe sofort einsetzbar. Eine der unmittelbarsten Anwendungen ist der Einsatz als tragbare Stromquelle für die mobile Stromversorgung von Elektronik direkt durch die Umgebungsfeuchtigkeit.

"Nach der Absorption von Wasser kann ein 1,5 mal 2 Zentimeter großes Stück stromerzeugendes Gewebe unter konstanten Bedingungen über 150 Stunden lang bis zu 0,7 Volt (V) Strom liefern", so Dr. Zhang Yaoxin vom Forschungsteam.

Das NUS-Team hat auch erfolgreich die Skalierbarkeit seines neuen Geräts bei der Stromerzeugung für verschiedene Anwendungen nachgewiesen. Das NUS-Team verband drei Teile des stromerzeugenden Gewebes miteinander und setzte sie in ein 3D-gedrucktes Gehäuse von der Größe einer herkömmlichen AA-Batterie. Die Spannung des zusammengebauten Geräts wurde auf bis zu 1,96 V getestet - höher als die einer handelsüblichen AA-Batterie von etwa 1,5 V - was ausreicht, um kleine elektronische Geräte wie einen Wecker mit Strom zu versorgen.

Die Skalierbarkeit der NUS-Erfindung, die einfache Beschaffung von handelsüblichen Rohstoffen sowie die niedrigen Herstellungskosten von etwa 0,15 S$ pro Quadratmeter machen das MEG-Gerät für die Massenproduktion geeignet.

"Unsere Vorrichtung zeigt eine hervorragende Skalierbarkeit bei niedrigen Herstellungskosten. Im Vergleich zu anderen MEG-Strukturen und -Geräten ist unsere Erfindung einfacher und leichter zu skalieren, wenn es um Integrationen und Verbindungen geht. Wir glauben, dass sie vielversprechend für die Kommerzialisierung ist", sagte Prof. Tan.

Die Forscher haben die Technologie zum Patent angemeldet und planen, mögliche Kommerzialisierungsstrategien für reale Anwendungen zu untersuchen.

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