凯利讯半导体

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从能产生能量并储存在超级电容器纤维的织物中获得的材料增益

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 权力着装”需要以下为将能量收集电子技术在织物的研究一个全新的意义。例如太阳能技术的进步,很快就会屈服的服装和装饰,可用于充电电池和电源装置。高分子压电纤维,可以舒适地佩戴会从简单的运动获取能量编织材料。压电纳米发电机基于GaN纳米线会产生同样的权力。

  储存产生的能量并将其转换成可用的形式是一个重要的考虑因素。一种石墨烯和碳纳米管网络的发展而产生的一种纤维状的储能装置,可以加入到织物象的超级电容器的下。另外,研究高产紧凑拉伸丝型超级电容器基于连续碳纳米管纤维。另一个方法,创造了一个柔性薄膜提供锂电池的最佳品质(无锂)和一个高性能的超级电容器。

  本文将总结本研究显示我们的服装可以利用能量采集技术在电力电子设备直接充电电池,将电池,甚至他们的纤维。

  为了便于比较,本文将考虑在超级电容器的现状,在物理尺寸/体积、性能和寿命,可穿戴的应用,通过实例说明从公司美国精工仪器的范围。超级电容器充电和管理将被覆盖,参考包括bq25504升压转换器和电池管理IC设备,及其相关的开发工具,从德克萨斯文书。

  光与运动

  光伏材料、光和足够灵活,可以穿的服装,预计在不久的将来可根据其开发者在dephotex项目。这1个欧盟框架研究了导电性能,可织成基纤维柔性光伏电池示威者已经在近年来的各种习惯,如何小规模装置可采用小电池可以充电,而规模较大的设施,如太阳能帐篷、遮阳伞、窗帘和装饰可用于电源灯和均充汽车电池。

  同时,在英国的研究人员已经开发出一种针织柔性织物从人体运动或使用压电技术的周围环境产生的能量。波尔顿大学材料研究与创新研究院、2设计了一个基于PVDF压电纤维织物的三维结构,这是灵活的,透气和坚韧,更重要的是,可以通过商业开发合作伙伴公司,FibrLec。请参阅图1。

  对博尔顿的三维压电纺织结构的大学形象


  图1:PVDF隔纱纺织大学博尔顿的三维压电结构。

  两个独立的导电镀银聚酰胺纺织面(电极)是由聚偏氟乙烯间隔丝连在一起。织物的压缩使间隔纱产生电荷,是由两金属面收集。目前,1至5µW / cm²能量可以产生足够的电力,一个小的传感器。

  应用在服装和鞋的鞋垫,设想为例,以小功率的便携式设备,并在地毯和其他地面或阀座材料电力照明、机场、购物中心的多个数据传输端口。

  超级电容器

  能源存储仍然是寻求替代传统电池的研究人员的热门话题。美国凯斯西储大学3,新加坡南洋理工大学和中国清华大学的科学家已经开发出一种超级电容器式储能装置,它可以编织成衣服。据称这种石墨烯和碳纳米管紧密堆积的互连网络的体积能量密度为6.3μWh/mm³,相当于4 V,500μAh薄膜锂电池。然而,与电池不同的是,它更快速地充电和释放能量,更像超级电容器。

  它可以编织成衣服,为家中的人提供医疗设备的电源,或为现场的士兵提供通信设备。这种光纤可能被用作医疗植入物中的电源或“载能导线”。纤维坚韧,可承受持续的机械应力,并经过10,000次充电/放电循环测试。

  为了达到同样的目标 - 高能电池和高功率超级电容器的最佳特性 - 莱斯大学4的研究人员开发了一种薄膜柔性电池。基于固体电解质周围的纳米多孔氟化镍电极,该薄膜电化学电容器的25mm²贴片已经过10,000次充/放电循环和1000次弯曲循环测试。研究人员正在寻找一种具有石墨烯,碳纳米管和导电聚合物的灵活性的材料,但具有通常在无机和金属化合物中发现的高得多的电存储容量。

  莱斯大学开发的薄膜超级电容器的结构图像


  图2:莱斯大学开发的基于纳米多孔层的超薄电容器的结构。

  来自特拉华大学的研究人员,基于连续碳纳米管纤维的5个可拉伸的线形超级电容器可能在可穿戴能源设备中得到应用。该团队使用氨纶纤维作为基材制造该器件,其中预应变和弯曲的碳纳米管作为活性电极,聚乙烯醇硫酸凝胶作为固体电解质。超过10,000次充/放电循环的测试表现出卓越的电导率和电化学稳定性。

  与此同时,在尺寸,灵活性和储能能力方面继续研究改进超级电容器,已经在德累斯顿的莱布尼茨固态和材料研究所(IFW-Dresden)取得了许多微型超级电容器的发展.6在一个项目中,二氧化锰被用作替代电极材料。 Bendy薄膜是通过使用电子束蒸发二氧化锰并使气态原子沉淀而产生的。研究人员称,与现有技术的超级电容器相比,半厘米的方形可以存储更多的能量,并且每单位体积的功率更大。

  最先进的

  虽然监测技术的发展非常重要,但现今最先进的超级电容器已经被用于可穿戴应用。当然,他们最大的缺点是缺乏灵活性。因此,小尺寸是必不可少的。 Elna America生产的DSK-3R3H204T614-H2L是目前最小,持续时间最长,电容量最高的设备之一。这种纽扣式格式的超级杯盖直径为6.8毫米,高度为1.8毫米。额定电压为3.3 V,电容为200 mF,ESR(等效串联电阻)为200Ω。生命周期在60oC时报价为1000小时。

  延长的使用寿命加上其能够快速储存和释放相对大量的能量,使超级电容器对能量收集应用有效。它们可以与电池一起使用,但通常可以取代它们,这取决于所需的功能。一个关键的优点是它们不需要在恒定电压下充电,但是可以通过吸收电源可以提供的最大电流来高效充电。

  Seiko Instruments公司的XH311HG-IV07E尺寸稍大于3.8mm,精度为3.3V,容量为20mF,可靠性至少为10,000次充/放电循环。它被广泛用作小型便携式设备的后备电源。

  Seiko还提供CPH3225A芯片尺寸更小,尺寸仅为3.2 x 2.5 x 0.9 mm。该器件适用于高达3.3 V的应用,器件容量为4.6μAh,电容为11 mF。

  在可穿戴应用中,超级电容器体积小且紧凑,足以与其他电路集成或远程连接,并缝制到衣服中,衣领或翻领下或口袋中,或戴在手腕或胸带上。

  能源管理

  无论是硬币还是芯片形式,超级电容器都需要与其支持的能量收集电路集成。例如,无论是与锂电池一起使用还是替代锂电池,它们都需要某种形式的电源管理以实现高效运行。

  专为超低功耗和能量收集应用而设计的是德州仪器的bq25504升压/充电IC。它可以从各种直流电源(包括太阳能和压电/振动设备)获取和管理微瓦到毫瓦的功率。它可以从低至330mV的输入电压开始,并且一旦操作就可以收获80mV的能量。当超级电容器集成到系统中时,bq25504监控过压和欠压状况,并在储能下降到预设水平以下时向控制器发出信号。

  评估模块bq25504EVM-674可用于检查升压/充电器IC的功能。为了给超级电容器充电提供3.1 VDC的最大电压,欠压被编程为2.2 VDC。

  结论

  短短几年内,服装和室内装饰用织物不仅将能量收集技术融入其纤维内部,而且还采用光伏和压电技术,同时结合了超级电容器和电池最佳特性的能量存储元件。 灵活性和耐用性是追求的特点,但它们需要满足传统能量收集和存储设备的性能水平。 可能不久,控制电子设备将成为可穿戴应用的限制因素,而不是像现在这样的情况,而不是能源存储组件。