Wissenschaftler haben eine „Batterie“ erfunden, die sich durch Feuchtigkeit in der Luft auflädt

Ein Forscherteam des College of Design and Engineering der National University of Singapore (NUS) hat ein ultradünnes Gerät zur Stromerzeugung aus Luftfeuchtigkeit (MEG) entwickelt. Es besteht aus einer dünnen Stoffschicht von etwa 0,3 mm Dicke, Meersalz, Kohletinte und einem speziellen wasserabsorbierenden Gel. Dieser technologische Durchbruch wurde in der Druckausgabe der Fachzeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe 26. Mai 2022. Diese stoffähnliche "Batterie" verwendet Meersalz als umweltfreundliches Feuchtigkeitsabsorptionsmittel und bietet eine höhere elektrische Leistung als eine normale AA-Batterie. Es kann möglicherweise verwendet werden, um alltägliche Elektronik mit Strom zu versorgen.

Das Konzept der MEG-Geräte basiert auf der Fähigkeit verschiedener Materialien, durch Wechselwirkung mit Feuchtigkeit in der Luft Strom zu erzeugen. Dieser Bereich ist wegen seines Potenzials für die Stromversorgung einer großen Vielzahl von Geräten, einschließlich persönlicher Elektronik, elektronischer Hautsensoren und Informationsspeichergeräten, von Interesse.

Die Hauptprobleme moderner MEG-Technologien sind die Wassersättigung des Geräts unter dem Einfluss von Umgebungsfeuchtigkeit und unbefriedigende elektrische Eigenschaften. Das heißt, die von solchen Geräten erzeugte elektrische Energie ist nicht nachhaltig und reicht auch nicht aus, um die Geräte mit Strom zu versorgen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Tan Swee Ching vom Department of Materials Science and Engineering des CDE ein neues MEG-Gerät, das zwei Regionen mit unterschiedlichen Eigenschaften enthält. Das MEG-Gerät des NUS-Teams besteht aus einer dünnen Gewebeschicht, die mit Kohlenstoff-Nanopartikeln beschichtet ist. In ihrer Studie verwendete das Team im Handel erhältlichen Zellstoff und Polyestergewebe.

Der "nasse" Bereich des Gewebes ist mit einem hygroskopischen ionischen Hydrogel bedeckt. Durch die Verwendung von Meersalz kann ein spezielles wasserabsorbierendes Gel das Sechsfache seines ursprünglichen Gewichts an Feuchtigkeit aufnehmen. Er ist dafür verantwortlich, Feuchtigkeit aus der Luft zu sammeln. Der "trockene" Bereich des gegenüberliegenden Gewebes enthält keine hygroskopische Schicht. Dies ist notwendig, damit die Wasseraufnahme auf den „nassen“ Bereich beschränkt bleibt.

Die Energie wird erzeugt, wenn die Meersalz-Ionen durch die Aufnahme von Wasser im "nassen" Bereich getrennt werden. Freie Ionen mit positiver Ladung (Kationen) werden von Kohlenstoff-Nanopartikeln absorbiert, die eine negative Ladung haben. Dies verursacht Veränderungen auf der Oberfläche des Gewebes und erzeugt darauf ein elektrisches Feld. Diese Veränderungen ermöglichen es dem Gewebe auch, Energie für die spätere Verwendung zu speichern.

Durch die Verwendung einer Kombination von "nassen" und "trockenen" Bereichen auf dem Gewebe ist es möglich, einen hohen Feuchtigkeitsgehalt in den ersteren und einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt in den letzteren sicherzustellen. Dadurch kann die elektrische Leistung auch dann aufrechterhalten werden, wenn der „nasse“ Bereich mit Wasser gesättigt ist. Nachdem die „Batterie“ 30 Tage lang in einer offenen, feuchten Umgebung belassen worden war, war immer noch Feuchtigkeit im „nassen“ Bereich enthalten, was die Wirksamkeit des Geräts bei der Aufrechterhaltung der elektrischen Energie demonstrierte.

Das Design des Singapur-Teams zeigte auch eine hohe Flexibilität und war in der Lage, Verdrehen, Rollen und Biegen zu widerstehen. Die Forscher demonstrierten die Flexibilität der „Batterie“, indem sie sie zu einem Origami-Kranich falteten, was ihre Leistung nicht beeinträchtigte. Das MEG-Gerät kann aufgrund der einfachen Skalierung und der im Handel erhältlichen Rohmaterialien bereits anwendbar sein.

"Nach der Aufnahme von Wasser kann ein einzelnes 1,5 x 2 cm großes Stück energieerzeugendes Gewebe in einer konstanten Umgebung über 0,7 Stunden lang bis zu 150 V liefern.", sagte Dr. Zhang Yaoxing vom Forschungsteam.

Das NUS-Team demonstrierte auch erfolgreich die Skalierbarkeit ihres neuen Energiegeräts für verschiedene Anwendungen. Das NUS-Team verband drei Teile dieses „Stoffes“ und platzierte sie in einem 3D-gedruckten Gehäuse von etwa der Größe einer Standard-AA-Batterie. Die Spannung des zusammengebauten Geräts betrug 1,96 V.

Die Skalierbarkeit der NUS-Erfindung, die Bequemlichkeit, im Handel erhältliche Rohmaterialien zu erhalten, und die niedrigen Herstellungskosten machen diese Erfindung für die Massenproduktion geeignet. Die Forscher haben bereits ein Patent beantragt und planen, mögliche Kommerzialisierungsstrategien für reale Anwendungen zu untersuchen.

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