Stel je voor dat je elektriciteit kunt opwekken door vocht in de lucht om je heen te benutten met alleen alledaagse voorwerpen zoals zeezout en een stuk stof, of zelfs alledaagse elektronica van stroom te voorzien met een niet-giftige batterij die zo dun is als papier. Een team van onderzoekers van het College of Design and Engineering (CDE) van de National University of Singapore (NUS) heeft een nieuw door vocht aangedreven apparaat voor elektriciteitsopwekking (MEG) ontwikkeld, gemaakt van een dunne laag stof - ongeveer 0,3 millimeter (mm) dik —zeezout, koolstofinkt en een speciale waterabsorberende gel.

Het concept van MEG-apparaten is gebaseerd op het vermogen van verschillende materialen om elektriciteit op te wekken uit de interactie met vocht in de lucht. Dit gebied krijgt steeds meer belangstelling vanwege het potentieel voor een breed scala aan toepassingen in de echte wereld, waaronder zelfaangedreven apparaten zoals draagbare elektronica zoals gezondheidsmonitors, elektronische huidsensoren en apparaten voor informatieopslag.

De belangrijkste uitdagingen van de huidige MEG-technologieën zijn onder meer de waterverzadiging van het apparaat bij blootstelling aan luchtvochtigheid en onbevredigende elektrische prestaties. De elektriciteit die wordt opgewekt door conventionele MEG-apparaten is dus onvoldoende om elektrische apparaten van stroom te voorzien en is ook niet duurzaam.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, heeft een onderzoeksteam onder leiding van assistent-professor Tan Swee Ching van het Department of Materials Science and Engineering onder CDE een nieuw MEG-apparaat bedacht dat twee regio's met verschillende eigenschappen bevat om voortdurend een verschil in watergehalte in de regio's te behouden om elektriciteit op te wekken en zorgen voor elektrische output voor honderden uren.

Deze technologische doorbraak werd gepubliceerd in de gedrukte versie van het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials op 26 mei 2022.

Langdurige, zelfopladende op stof gebaseerde 'batterij'

Het MEG-apparaat van het NUS-team bestaat uit een dunne laag stof die was bedekt met koolstofnanodeeltjes. In hun onderzoek gebruikte het team een ​​in de handel verkrijgbare stof gemaakt van houtpulp en polyester.

Eén gebied van het weefsel is bedekt met een hygroscopische ionische hydrogel, en dit gebied staat bekend als het natte gebied. De speciale waterabsorberende gel is gemaakt van zeezout en kan meer dan zes keer zijn oorspronkelijke gewicht absorberen en wordt gebruikt om vocht uit de lucht te halen.

"Zeezout werd gekozen als de waterabsorberende verbinding vanwege de niet-toxische eigenschappen en het potentieel om een ​​duurzame optie te bieden voor ontziltingsinstallaties om het gegenereerde zeezout en pekel af te voeren", deelde Asst Prof Tan.

Het andere uiteinde van het weefsel is het droge gebied dat geen hygroscopische ionische hydrogellaag bevat. Dit is om ervoor te zorgen dat deze regio droog blijft en water wordt beperkt tot de natte regio.

Zodra het MEG-apparaat is gemonteerd, wordt elektriciteit opgewekt wanneer de ionen van zeezout worden gescheiden terwijl water wordt geabsorbeerd in het natte gebied. Vrije ionen met een positieve lading (kationen) worden geabsorbeerd door de koolstof nanodeeltjes die negatief geladen zijn. Dit veroorzaakt veranderingen aan het oppervlak van de stof, waardoor er een elektrisch veld overheen wordt gegenereerd. Deze veranderingen aan het oppervlak geven de stof ook de mogelijkheid om elektriciteit op te slaan voor later gebruik.

Met behulp van een uniek ontwerp van nat-droge gebieden konden NUS-onderzoekers een hoog watergehalte in het natte gebied en een laag watergehalte in het droge gebied handhaven. Dit zal de elektrische output behouden, zelfs wanneer het natte gebied verzadigd is met water. Na 30 dagen in een open vochtige omgeving te hebben gestaan, werd er nog steeds water in het natte gebied gehouden, wat de effectiviteit van het apparaat aantoont bij het in stand houden van de elektrische output.

"Met deze unieke asymmetrische structuur zijn de elektrische prestaties van ons MEG-apparaat aanzienlijk verbeterd in vergelijking met eerdere MEG-technologieën, waardoor het mogelijk wordt om veel gangbare elektronische apparaten, zoals gezondheidsmonitoren en draagbare elektronica, van stroom te voorzien", legt Asst uit. Prof. Tan.

Het MEG-apparaat van het team toonde ook een hoge flexibiliteit en was bestand tegen stress door draaien, rollen en buigen. Interessant genoeg werd de uitstekende flexibiliteit door de onderzoekers aangetoond door de stof in een origamikraan te vouwen die de algehele elektrische prestaties van het apparaat niet beïnvloedde.

Draagbare voeding en meer

Het MEG-apparaat heeft onmiddellijke toepassingen vanwege het gemak van schaalbaarheid en commercieel verkrijgbare grondstoffen. Een van de meest directe toepassingen is het gebruik als draagbare stroombron voor mobiele elektronica die rechtstreeks door de luchtvochtigheid wordt gevoed.

"Na wateropname kan een stuk stroomopwekkende stof van 1,5 bij 2 centimeter in een constante omgeving tot 0,7 volt (V) elektriciteit leveren gedurende meer dan 150 uur", zegt onderzoeksteamlid Dr. Zhang Yaoxin.

Het NUS-team heeft ook met succes de schaalbaarheid van zijn nieuwe apparaat aangetoond bij het opwekken van elektriciteit voor verschillende toepassingen. Het NUS-team verbond drie stukken van de stroomopwekkende stof aan elkaar en plaatste ze in een 3D-geprinte behuizing ter grootte van een standaard AA-batterij. De spanning van het geassembleerde apparaat is getest om zo hoog te worden als 1,96 V - hoger dan een commerciële AA-batterij van ongeveer 1,5 V - wat voldoende is om kleine elektronische apparaten zoals een wekker van stroom te voorzien.

De schaalbaarheid van de NUS-uitvinding, het gemak van het verkrijgen van in de handel verkrijgbare grondstoffen en de lage fabricagekosten van ongeveer $ 0,15 per vierkante meter maken het MEG-apparaat geschikt voor massaproductie.

"Ons apparaat vertoont uitstekende schaalbaarheid tegen lage fabricagekosten. Vergeleken met andere MEG-structuren en -apparaten is onze uitvinding eenvoudiger en gemakkelijker voor het opschalen van integraties en verbindingen. We geloven dat het een grote belofte inhoudt voor commercialisering", deelde Asst mee. Prof. Tan.

De onderzoekers hebben een patent aangevraagd voor de technologie en zijn van plan om mogelijke commercialiseringsstrategieën voor toepassingen in de echte wereld te verkennen. + Verder verkennen

Nieuwe 'stof' zet beweging om in elektriciteit