Większość technologii zasilania, które kojarzymy z elektroniką noszoną albo czujnikami IoT, ma oczywiste ograniczenia. Ogniwa słoneczne wymagają światła. Generatory piezoelektryczne i triboelektryczne muszą być zgniatane, rozciągane albo pocierane, a termoelektryki potrzebują różnicy temperatur. W tle zawsze jest więc jakiś wymuszony bodziec, bo bez niego urządzenie po prostu milknie.
Na tym tle pomysł, żeby materiał sam z siebie, bez naciskania, nagrzewania czy oświetlania, generował stabilne napięcie wystarczające do zasilania prostych urządzeń, brzmi jak dość odważna obietnica. A jednak dokładnie taki kierunek obierają badania zespołu z Uniwersytetu UNIST w Korei Południowej, opisane niedawno na łamach serwisu TechXplore, a opublikowane pierwotnie w czasopiśmie Advanced Energy Materials.
Naukowcy nie zaczęli swojej pracy od zera. Zamiast projektować nową chemię akumulatora, skopiowali biologiczną sztuczkę, którą przyroda dopracowała w organizmach takich jak płaszczki i węgorze elektryczne. Ich mięśnie nie kręcą wirnikiem generatora, bo zamiast tego korzystają z precyzyjnego ułożenia komórek jonowych, które w serii potrafią zbudować setki woltów napięcia. Zespół prof. Hyunhyuba Ko próbuje zrobić to samo, ale w formie cienkiej, polimerowej struktury, którą można rozciągać, sztaplować i integrować z elektroniką.
Od płaszczek elektrycznych do polimerowego stosu jonowego
Płaszczki elektryczne i węgorze od dawna są ulubionym przykładem w podręcznikach fizjologii. W ich ciałach znajdują się elektrocyty – wyspecjalizowane komórki, które działają jak biologiczne ogniwa. Pojedyncza komórka generuje zaledwie ułamki wolta, ale dzięki szeregowemu ułożeniu potrafią wspólnie wygenerować nawet kilkaset woltów, a to wystarcza, żeby obezwładnić ofiarę albo odstraszyć napastnika. Mechanizm opiera się na różnicy stężeń jonów i selektywnych błonach, które przepuszczają tylko wybrane ładunki.
Nowa technologia UNIST idzie w tę samą stronę, ale w wersji syntetycznej. Zamiast żywych komórek, naukowcy tworzą cienką, około 0,2-milimetrową komórkę z dwóch warstw polimerów jonowych. Jedna z nich ma dodatnio naładowane grupy chemiczne (warstwa kationowa), druga ujemne (warstwa anionowa). Na styku obu materiałów powstaje złącze jonowe, czyli coś w rodzaju elektrochemicznej diody, w której spontanicznie ustala się różnica potencjałów.
Ten pojedynczy moduł badacze nazywają BIAS (Bioinspired Bilayer Ionic Asymmetric Stack). Kluczowy jest tu brak symetrii: dwie warstwy nie są identyczne, dzięki czemu na granicy tworzy się trwałe pole elektryczne, które nakazuje jonom ustawić się w określony sposób. Różnica potencjałów przypomina w tym sensie napięcie spoczynkowe błony komórkowej, ale jest generowana wyłącznie przez samą strukturę materiału.
Komórka grubości kartki papieru i ponad 100 V po złożeniu
Pojedyncza komórka BIAS osiąga napięcie rzędu 0,71 V, co w świecie jonowych urządzeń jest wartością zaskakująco wysoką. W klasycznych, symetrycznych układach podobnego typu napięcie z jednej warstwy bywa kilkadziesiąt razy niższe. Tu asymetryczna architektura działa jak wzmacniacz, bo odpowiednio dobrana chemia polimerów i rozkład ładunków sprawiają, że różnica potencjałów rośnie bez udziału zewnętrznych przewodów czy elektrod z różnych metali.
Najciekawsze zaczyna się jednak dopiero wtedy, gdy takich komórek ułożymy dziesiątki jedna na drugiej. Badacze z UNIST pokazali, że stos BIAS-ów potrafi osiągać napięcia przekraczające 100 V, a więc wystarczające do bezpośredniego zasilenia prostych urządzeń: lampek LED, kalkulatorów, zegarków cyfrowych, a to wszystko bez żadnych dodatkowych układów prostujących czy przetwornic. Mówimy więc o strukturze cienkiej jak stos kartek papieru, której jedynym paliwem jest uporządkowanie jonów w jej wnętrzu.
Czytaj też: Koniec z brutalną litografią. Perowskit dostaje wreszcie obróbkę na miarę swoich możliwości
Oczywiście napięcie to tylko połowa historii. Artykuł w Advanced Energy Materials akcentuje, że gęstość mocy pojedynczej komórki nie rywalizuje z klasycznymi akumulatorami litowo-jonowymi pod względem energii całkowitej. Nie o to jednak tu chodzi. BIAS jest raczej źródłem wysoko napięciowego backupu dla elektroniki o niewielkim poborze prądu, która ma działać długo bez wymiany akumulatora, a nie magazynem energii do napędzania silników
Brak paneli słonecznych, brak ruchu. Energia pozyskiwana z ruchu jonów
Większość znanych samozasilających się technologii generowania energii opiera się na zjawiskach, które intuicyjnie rozumiemy. Panel fotowoltaiczny zamienia fotony w prąd. Generator piezoelektryczny wykorzystuje odkształcenia materiału. Termoelektryki bazują na różnicy temperatur. Z kolei w przypadku BIAS nie ma żadnego takiego bezpośredniego bodźca. Źródłem energii jest wyłącznie ruch jonów pomiędzy dwiema warstwami o różnej funkcjonalności, a napędza go układ chemicznych potencjałów w samej strukturze. Dlatego też UNIST w swoim komunikacie prasowym opisuje to jako “„”generator bez bodźców zewnętrznych”, bo urządzenie, które nie musi liczyć ani na światło, ani na wiatr, ani na ciśnienie czy fale dźwiękowe. W praktyce oznacza to fundamentalnie inną filozofię niż w typowych generatorach, bo zamiast zamieniać na elektryczność energię ze środowiska, materiał wykorzystuje gradient chemiczny zapisany w swoim wnętrzu.
Czytaj też: Naukowcy obkleili panele słoneczne. Produkcja prądu skoczyła tak, że trudno w to uwierzyć
Brzmi to atrakcyjnie, ale warto postawić pytanie o bilans energetyczny w dłuższym horyzoncie. Każda różnica potencjałów z czasem się wyrównuje, więc układ musi być projektowany tak, by utrzymywać rozdział ładunków przez możliwie długi czas – inaczej napięcie będzie stopniowo spadać. Autorzy pracy sugerują, że kluczem są tu odpowiednio dobrane, powoli dyfundujące jony oraz stabilne polimery, które utrzymują strukturę złącza przez tysiące godzin. O ile dobrze zaprojektujemy chemię, to komórka może zachowywać się jak bardzo długo żyjące źródło odniesienia napięcia, ale o dużo wyższym poziomie napięcia niż klasyczne układy półprzewodnikowe.
Elastyczność, rozciąganie i wilgoć: testy pod kątem urządzeń do noszenia
W badaniach laboratoryjnych nowe komórki jonowe przeszły zestaw testów, które jasno pokazują, że naukowcy od początku myślą o zastosowaniach w urządzeniach noszonych (wearables). Pojedyncza komórka zachowała swoje napięcie po ponad 3000 cyklach rozciągania i ściśnięcia, a maksymalna bezpieczna deformacja sięgała mniej więcej 150% pierwotnej długości, bez znaczącej utraty parametrów To ważne, bo w realnym świecie opaska fitness czy plaster z czujnikami na skórze ciągle pracują.
Równie istotna okazała się odporność na wilgoć. Jonowe urządzenia zwykle cierpią na tym, że w suchym powietrzu jony poruszają się słabo, a przy bardzo dużej wilgotności pojawiają się niekontrolowane prądy upływu. Zespół z UNIST informuje, że BIAS zachowuje stabilne napięcie w szerokim zakresie wilgotności – od warunków dość suchych aż po 90% wilgotności względnej. Z punktu widzenia elektroniki noszonej, która musi działać i w klimatyzowanym biurze, i na spoconej skórze biegacza, jest to parametr trudny do przecenienia.
Nie oznacza to, że problemów nie ma. Polimerowe struktury z jonami są wrażliwe na temperaturę i starzenie chemiczne, a każdy przeciek czy degradacja warstw może z czasem zmieniać napięcie wyjściowe. Wciąż otwarte pozostają pytania o zachowanie takich stosów po kilku latach dobrej i złej eksploatacji, w obecności potu, kosmetyków czy pyłów. Tego typu dane poznamy dopiero, gdy układ trafi do długotrwałych testów aplikacyjnych.
Co jeszcze trzeba ogarnąć, zanim zobaczymy to w produktach?
Chociaż nagłówki o “ponad 100 V bez żadnego źródła energii” brzmią chwytliwie, to warto zachować odrobinę sceptycyzmu. Po pierwsze, nie znamy jeszcze szczegółowych parametrów, takich jak gęstość energii w przeliczeniu na centymetr sześcienny oraz efektywna moc przy długotrwałym obciążeniu. To jednak one zdecydują, czy BIAS będzie tylko ciekawostką laboratoryjną, czy realnym zamiennikiem dla części akumulatorów w zestawach sensorów.
Po drugie, produkcja na skalę przemysłową polimerowych struktur z precyzyjną kontrolą rozmieszczenia jonów i grubości warstw bywa trudna. UNIST ma duże doświadczenie w miękkiej elektronice i materiałach dla wearables, ale przełożenie tej wiedzy na tańsze procesy masowe (druk, powlekanie rolkowe, laminacja) to osobne wyzwanie. Po trzecie, pozostaje kwestia bezpieczeństwa i niezawodności. Wysokie napięcie jest tutaj generowane przy bardzo małym prądzie, więc zagrożenie porażeniem w typowych warunkach jest znikome, ale integracja z inną elektroniką wymaga przetwornic, izolacji i stabilizacji. Procesor czy moduł komunikacyjny w opasce fitness nie pracuje na 100 V – potrzebuje kilku woltów przy stosunkowo dużym prądzie. Konieczne będzie więc połączenie BIAS z klasyczną elektroniką zasilającą i magazynującą energię.
Czytaj też: Naukowcy obejrzeli wnętrze paneli słonecznych i odkryli ich sekret
Mimo tych znaków zapytania, kierunek badań jest ciekawy, bo wyłamuje się z intuicyjnego schematu “weźmy istniejące źródło energii i spróbujmy je lepiej wychwycić”. Zamiast tego naukowcy kopiują biologiczną sztuczkę wykorzystującą same jony i potencjały membranowe, ale przenoszą ją do trwałego, skalowalnego materiału.