Föreställ dig att kunna generera elektricitet genom att utnyttja fukten i luften omkring dig med bara vardagliga föremål som havssalt och en bit tyg, eller till och med driva vardagselektronik med ett giftfritt batteri som är tunt som papper. Ett team av forskare från National University of Singapores (NUS) College of Design and Engineering (CDE) har utvecklat en ny fuktdriven elektricitetsgenereringsenhet (MEG) gjord av ett tunt lager av tyg – cirka 0,3 millimeter (mm) i tjocklek —havssalt, kolbläck och en speciell vattenabsorberande gel.

Konceptet med MEG-enheter bygger på förmågan hos olika material att generera elektricitet från interaktion med fukt i luften. Detta område har fått ett växande intresse på grund av dess potential för ett brett utbud av verkliga tillämpningar, inklusive självförsörjande enheter som bärbar elektronik som hälsomonitorer, elektroniska hudsensorer och informationslagringsenheter.

Viktiga utmaningar med nuvarande MEG-teknologier inkluderar vattenmättnad av enheten när den utsätts för luftfuktighet och otillfredsställande elektrisk prestanda. Således är elektriciteten som genereras av konventionella MEG-enheter otillräcklig för att driva elektriska enheter och är inte heller hållbar.

För att övervinna dessa utmaningar, utvecklade ett forskarlag under ledning av biträdande professor Tan Swee Ching från Institutionen för materialvetenskap och teknik under CDE en ny MEG-enhet som innehåller två regioner med olika egenskaper för att ständigt upprätthålla en skillnad i vatteninnehåll över regionerna för att generera elektricitet och tillåt elektrisk effekt i hundratals timmar.

Detta tekniska genombrott publicerades i den tryckta versionen av den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials den 26 maj 2022.

Långvarigt, självladdande tygbaserat "batteri"

NUS-teamets MEG-enhet består av ett tunt lager tyg som var belagt med kolnanopartiklar. I sin studie använde teamet ett kommersiellt tillgängligt tyg tillverkat av trämassa och polyester.

En region av tyget är belagd med en hygroskopisk jonisk hydrogel, och denna region är känd som den våta regionen. Tillverkad av havssalt kan den speciella vattenabsorberande gelén absorbera mer än sex gånger sin ursprungliga vikt och den används för att skörda fukt från luften.

"Havssalt valdes som den vattenabsorberande föreningen på grund av dess giftfria egenskaper och dess potential att tillhandahålla ett hållbart alternativ för avsaltningsanläggningar att göra sig av med det genererade havssaltet och saltlaken", delade professor Tan.

Den andra änden av tyget är det torra området som inte innehåller ett hygroskopiskt joniskt hydrogelskikt. Detta för att säkerställa att denna region hålls torr och att vattnet begränsas till det våta området.

När MEG-enheten väl är monterad genereras elektricitet när joner av havssalt separeras när vatten absorberas i det våta området. Fria joner med positiv laddning (katjoner) absorberas av kolnanopartiklarna som är negativt laddade. Detta orsakar förändringar på tygets yta, vilket genererar ett elektriskt fält över det. Dessa förändringar av ytan ger också tyget möjlighet att lagra elektricitet för senare användning.

Genom att använda en unik design av våt-torra regioner kunde NUS-forskare upprätthålla hög vattenhalt i den våta regionen och låg vattenhalt i den torra regionen. Detta kommer att bibehålla elektrisk effekt även när det våta området är mättat med vatten. Efter att ha lämnats i en öppen fuktig miljö i 30 dagar hölls vattnet fortfarande kvar i det våta området, vilket visar enhetens effektivitet för att upprätthålla elektrisk effekt.

"Med denna unika asymmetriska struktur är den elektriska prestandan hos vår MEG-enhet avsevärt förbättrad jämfört med tidigare MEG-teknologier, vilket gör det möjligt att driva många vanliga elektroniska enheter, såsom hälsomonitorer och bärbar elektronik," förklarade Asst. Prof. Tan.

Teamets MEG-enhet visade också hög flexibilitet och kunde motstå stress från vridning, rullning och böjning. Intressant nog visades dess enastående flexibilitet av forskarna genom att vika tyget till en origamikran, vilket inte påverkade enhetens övergripande elektriska prestanda.

Bärbart nätaggregat och mer

MEG-enheten har omedelbara tillämpningar på grund av dess lätta skalbarhet och kommersiellt tillgängliga råmaterial. En av de mest omedelbara tillämpningarna är att användas som en bärbar strömkälla för mobil strömförsörjning av elektronik direkt av omgivande luftfuktighet.

"Efter vattenabsorption kan ett stycke kraftgenererande tyg som är 1,5 gånger 2 centimeter stort ge upp till 0,7 volt (V) elektricitet i över 150 timmar under en konstant miljö", säger forskargruppsmedlemmen Dr. Zhang Yaoxin.

NUS-teamet har också framgångsrikt visat skalbarheten hos sin nya enhet för att generera elektricitet för olika applikationer. NUS-teamet kopplade samman tre delar av det kraftgenererande tyget och placerade dem i ett 3D-utskrivet fodral som var lika stort som ett standard AA-batteri. Spänningen på den sammansatta enheten testades för att nå så högt som 1,96V – högre än ett kommersiellt AA-batteri på cirka 1,5V – vilket är tillräckligt för att driva små elektroniska enheter som en väckarklocka.

Skalbarheten hos NUS-uppfinningen, bekvämligheten med att erhålla kommersiellt tillgängliga råmaterial samt den låga tillverkningskostnaden på cirka 0,15 USD per kvadratmeter gör MEG-enheten lämplig för massproduktion.

"Vår enhet visar utmärkt skalbarhet till en låg tillverkningskostnad. Jämfört med andra MEG-strukturer och enheter är vår uppfinning enklare och enklare för uppskalning av integrationer och anslutningar. Vi tror att den har ett stort löfte för kommersialisering," delade Asst. Prof. Tan.

Forskarna har ansökt om patent på tekniken och planerar att utforska potentiella kommersialiseringsstrategier för verkliga tillämpningar. + Utforska vidare

Nytt "tyg" omvandlar rörelse till elektricitet