Theo công ty phân tích công nghệ mới nổi IDTechEx ở Cambridge, Anh, thiết bị điện tử mang đeo đang trở nên phổ biến, tổng thị trường trị giá gần 80 tỷ USD vào năm 2020, tăng gấp ba lần về doanh thu hàng năm kể từ năm 2014 . Chính vì vậy. các nhà khoa học tìm cách phát triển những nguồn năng lượng mạnh mẽ hơn cho các thiết bị mang đeo, đồng thời phải linh hoạt, giúp cơ thể con người thoải mái khi sử dụng.

Mặc dù siêu tụ điện mềm có mật độ công suất cao, nhưng mật độ năng lượng tương đối thấp, thời gian phóng điện ngắn làm hạn chế những ứng dụng thực tế. Pin lithium-ion linh hoạt có mật độ năng lượng cao hơn, nhưng độ an toàn không cao, không được sử dụng rộng rãi trong công nghệ thiết bị mang đeo linh hoạt.

Pin ion kẽm, công nghệ lưu trữ năng lượng linh hoạt đầy hứa hẹn cho các trang thiết bị mang đeo, về lý thuyết sở hữu dung lượng cao, chi phí thấp và độ an toàn. Nhưng chất điện phân dạng gel cho phép điện tích chạy trong pin khó chế tạo, có tính chất cơ học kém và độ dẫn ion thấp.

 

Các nhà khoa học đã phát triển pin ion kẽm có thể sạc lại với mật độ năng lượng tương đối cao, 91 watt-giờ mỗi lít, có thể so sánh với mật độ năng lượng của pin lithium-ion từ 250 đến 670 watt-giờ mỗi lít. Nhóm nhà khoa học chế tạo pin dạng sợi có đường kính chỉ một milimet, có độ đàn hồi gần như da người, có khả năng kéo giãn 230% không bị đứt, chi phí 0,64 USD trên 15 cm và nhẹ, chỉ 1,26 gram trên 15 cm.

Xiao Xiao, KS điện tại Đại học California, Los Angeles, tác giả chính của nghiên cứu cho biết, quần áo thông minh là mục tiêu chính của nghiên cứu này.

Pin kẽm-mangan dioxide mới sử dụng chất điện phân, được sản xuất đơn giản và có thể sản xuất quy mô lớn từ hai vật liệu phổ biến là polyvinyl alcohol hydrogel và graphene oxide. Các mảnh vảy graphene oxide được rắc đều khắp hydrogel cho chất điện phân có độ dẫn ion cao 21 milisiemens mỗi cm, gần tương đương với chất điện phân trong pin lithium-ion. Hydrogel khiến chất điện phân linh hoạt và thậm chí có khả năng tự phục hồi, khi vật liệu bị cắt, đưa các mảnh cắt tiếp xúc với nhau là đủ để liên kết lại.

 Cấu trúc pin điện sợi quang, tích hợp trên áo.

Những nghiên cứu trước đây đã phát triển một loại pin ion kẽm dạng sợi để sử dụng trong quần áo thông minh. Nhưng pin có mật độ năng lượng thấp hơn và phụ thuộc vào các ống nano carbon tương đối đắt tiền, trong công trình mới, chất điện phân có thể sản xuất mở rộng do sử dụng những mảnh graphene oxit dẫn ion.

Trong các thử nghiệm, pin sợi quang mới cho hiệu suất ổn định trong hơn 500 giờ xả và sạc lại, duy trì 98% dung lượng sau hơn 1.000 chu kỳ như vậy. Khi kết nối với thiết bị đầu cuối sạc không dây, những pin sợi này có thể sạc không dây hoặc bằng điện thoại thông minh hoặc các thiết bị khác.

Bao bọc các sợi này trong silicone, những viên pin này hoạt động ổn định trong không khí, không thấm nước, có thể cung cấp năng lượng ngay cả khi ngập trong nước. Những lớp vỏ bọc này cũng bảo vệ da người khỏi tác động của pin.

 Một tình nguyện viên với các thiết bị điện tử dệt trên áo, cấp nguồn bằng pin vài sử dụng chiếc điện thoại hiển thị đồ họa.

Một tình nguyện viên với các thiết bị điện tử dệt trên áo,  cấp nguồn bằng pin vài sử dụng chiếc điện thoại hiển thị đồ họa.

Các nhà nghiên cứu cho rằng nguồn điện mang đeo này đóng vai trò trung tâm cho mạng thiết bị dệt trên cơ thể (TBAN), tương tự như mạng cục bộ liên kết máy tính và thiết bị ngoại vi trong gia đình và văn phòng.

Từ ý tưởng này, nhóm nhà khoa học đã tích hợp (dệt) pin sợi quang vào một chiếc áo có nhiều cảm biến, mạch điện và cả một thiết bị đầu cuối sạc không dây. Bộ quần áo có thể đo tín hiệu nhịp tim, nhiệt độ, độ ẩm và thu tín hiệu độ cao, gửi dữ liệu này tới điện thoại thông minh qua Bluetooth, một tình nguyện viên đã mặc và thử khi leo lên đồi, cho thấy pin và các thiết bị có thể hoạt động ngoài trời khi thể dục thể thao.

TBAN chạy bằng pin sợi quang sẽ trở thành định hướng cho quần áo thông minh trong tương lai đồng thời mở ra một lộ trình đầy hứa hẹn cho việc việc chăm sóc sức khỏe cá nhân hóa.

Trang phục của nguyên mẫu này sử dụng các cảm biến cứng. Trong tương lai, các nhà khoa học đặt mục tiêu phát triển những cảm biến linh hoạt, các loại vải có thể thu năng lượng từ những chuyển động của cơ thể để tạo ra điện, có thể là cả màn hình hiển thị dệt.