Pružný hydrogelový generátor: Stabilní energie pro nositelnou elektroniku i po 8000 ohybech

Vědci z čínského Harbinského technologického institutu vyvinuli plně pružný generátor poháněný vlhkostí, který je navržen tak, aby udržel nositelnou elektroniku v provozu i při opakovaném ohýbání a natahování.

Vědci z čínského Harbinského technologického institutu vyvinuli plně pružný generátor poháněný vlhkostí, který je navržen tak, aby udržel nositelnou elektroniku v provozu i při opakovaném ohýbání a natahování. Toto zařízení řeší jeden z největších problémů stávajících hydrogelových generátorů: slabou adhezi mezi hydrogelovou a elektrodovou vrstvou, která často vede k nestabilnímu elektrickému výstupu a mechanickému selhání při deformaci.

Hydrogelové generátory poháněné vlhkostí získávají na popularitě, protože dokážou přeměnit vlhkost z prostředí na elektřinu a zároveň zůstat měkké a flexibilní. Tyto systémy jsou zkoumány pro použití v nositelné elektronice, implantovatelných zařízeních a technologiích pro monitorování zdraví, které vyžadují lehké a nepřetržité zdroje energie. Mnoho stávajících systémů však má potíže s udržením stabilního výkonu po opakovaném natahování, kroucení nebo ohýbání. Slabá interakce mezi hydrogelem a elektrodami zvyšuje odpor a způsobuje oddělování vrstev, což omezuje elektrický výkon i dlouhodobou životnost.

Pro vyřešení tohoto problému vědci vyvinuli vysoce adhezivní hydrogel, který posiluje rozhraní mezi funkčními vrstvami a elektrodami. Hydrogel byl nabobtnán ve vodně-glycerolovém rozpouštědle a integrován s tekutým kovem a pružnými stříbrnými elektrodami. Přidání glycerolu odhalilo více vodíkových vazeb uvnitř hydrogelu, což zvýšilo kontaktní body mezi hydrogelem a elektrodami. Tím se zlepšila adheze a zároveň snížil odpor rozhraní, což pomohlo iontům efektivněji se pohybovat za zatížení. Glycerol také zlepšil odolnost hydrogelu proti vysychání, zamrzání a bobtnání, což umožňuje dlouhodobý stabilní provoz v různých podmínkách prostředí.

Zařízení dosáhlo výstupního napětí přesahujícího 0,94 voltu a proudové hustoty 141 mikroampérů na čtvereční centimetr. Elektrický výstup zůstal stabilní i při opakované deformaci systému. Generátor prokázal také silnou mechanickou odolnost. Po 1 040 cyklech natahování systém nadále stabilně fungoval. I po 8 000 cyklech ohýbání v úhlu 180 stupňů vědci zaznamenali zanedbatelné snížení výkonu.

Vědci věří, že tato technologie by mohla podpořit nositelnou elektroniku, která potřebuje flexibilní a stabilní zdroje energie během každodenního pohybu. Potenciální aplikace zahrnují systémy pro monitorování dýchání a samostatně napájené zdravotní senzory. Stabilizací rozhraní hydrogel-elektroda tato práce nabízí širší strategii pro zlepšení spolehlivosti v měkkých elektronických systémech, kde mechanické namáhání často časem poškozuje výkon. Tento přístup by mohl také vést k budoucímu vývoji flexibilních energetických zařízení schopných provozu v náročných environmentálních a mechanických podmínkách. Studie byla publikována v časopise Nano-Micro Letters.