Dehnbares Hydrogel-Generatorsystem liefert auch nach 8.000 Biegungen stabilen Strom

Solche Systeme werden für tragbare Elektronik, implantierbare Geräte und Gesundheitstechnologien erforscht, die leichte und kontinuierliche Stromquellen erfordern. Viele bestehende Systeme scheitern jedoch daran, eine stabile Leistung aufrechtzuerhalten, wenn sie wiederholt gedehnt, verdreht oder gebogen werden.

Die Forscher stellten fest, dass schwache Grenzflächenwechselwirkungen zwischen dem Hydrogel und den Elektroden häufig den Widerstand erhöhen und zu Schichtablösungen führen, was sowohl die elektrische Leistung als auch die Langzeitbeständigkeit einschränkt.

Dehnen ohne Leistungsverlust Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ein hochadhäsives Hydrogel, das die Grenzfläche zwischen den funktionalen Schichten und den Elektroden verstärkt.

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Das Hydrogel wurde in einem Wasser-Glycerin-Lösungsmittel aufgeweitet und mit flüssigem Metall sowie dehnbaren Silber-Elektroden integriert, um den Generator herzustellen.

Laut der Studie führt die Zugabe, dass mehr Wasserstoffbrückenbindungsgruppen im Inneren des Hydrogels freigelegt werden, wodurch die Kontaktstellen zwischen dem Hydrogel und den Elektroden zunehmen.

Diese Verbesserung der Haftung senkt gleichzeitig den Grenzflächenwiderstand und ermöglicht es Ionen, auch unter Belastung effizienter durch das Gerät zu wandern.

Was die Studie zeigt

Die Forscher stellten zudem fest, dass Glycerin die Widerstandsfähigkeit des Hydrogels gegen Austrocknen, Einfrieren und Quellen erhöht, wodurch ein langfristiger stabiler Betrieb unter verschiedenen Umweltbedingungen möglich ist. Das Team setzte sowohl Experimente als auch Simulationen ein, um die Leistung des Systems zu überprüfen.

Sie berichteten, dass das haftende Hydrogel im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen den Grenzflächenwiderstand verringert und die Effizienz des Ionentransports verbessert.

Mittels AIMD-Simulationen und DFT-Rechnungen bestätigten die Forscher zusätzlich, dass das verstärkte Hydrogel-Elektroden-Grenzflächen eine schnellere Ionenmigration ermöglicht und die Energiebarriere für die Ionenbewegung senkt.

Was die Studie zeigt

Für Wearables konzipiert: Das Gerät erreichte laut den Forschern eine Ausgangsspannung von über 0,94 Volt und eine Stromdichte von 141 Mikroampere pro Quadratzentimeter. Das Team berichtete, dass die elektrische Leistung auch bei wiederholter Verformung des Systems stabil blieb. Der Generator zeigte zudem eine hohe mechanische Haltbarkeit.

Nach 1.040 Dehnzyklen funktionierte das System weiterhin stabil. Selbst nach 8.000 Biegezyklen bei einem Winkel von 180 Grad stellten die Forscher eine vernachlässigbare Leistungsverschlechterung fest.

Die Forscher gehen davon aus, dass die Technologie tragbare Elektronik unterstützen kann, die für flexible und stabile Energiequellen während der täglichen Bewegung benötigt wird. Zu den in der Studie genannten potenziellen Anwendungen gehören Systeme zur Atemüberwachung und selbstversorgte Gesundheitssensoren.

Was die Studie zeigt

Durch die Stabilisierung der Hydrogel-Elektroden-Schnittstelle bieten die Forscher eine umfassendere Strategie zur Verbesserung der Zuverlässigkeit in weichen elektronischen Systemen, bei denen mechanische Belastungen die Leistung im Laufe der Zeit häufig beeinträchtigen.

Der Ansatz könnte zudem bei der zukünftigen Entwicklung flexibler Energietechnologien helfen, die unter anspruchsvollen Umwelt- und mechanischen Bedingungen funktionieren. Die Studie wurde in der Zeitschrift Nano-Micro Letters veröffentlicht.