Functional Materials for Sustainable Energy Harvesting and Energy Storage Devices

QC 20240508

Abstract

Den snabba utvecklingen av mindre, bärbara, elektroniska apparater medtrådlösa sensorer, integrerade kretsar och displayer har tvingat fram ett behov av små strömförsörjningsenheter som kan driva denna typ av elektronikprodukter. En möjlighet är att använda miniatyriserade ”energiskördare” som omvandlar mekanisk, termisk eller annan energi som genereras i omgivningen till elektrisk energi. Exempel påsådan energi som finns i vår närmiljö kan vara solljus, vågrörelse, kroppsrörelse och kroppsvärme. Genom att konstruera t ex piezo- eller triboelektriskageneratorer, som tar upp tryck och rörelse och omvandlar detta till elektrisk spänning, kan man generera en ström som skulle kunna räcka till för att driva en liten elektrisk krets. Funktionen av en sådan strömförsörjningsenhet kan också förbättras genom att addera ett batteri som kan lagra den genererade elektriska energin, t ex genom en liten kondensator med lång tidskonstant, en sk mikrosuperkondensator. Denna avhandling visar olika möjligheter att bygga användbara små generatorer och kraftmoduler som uppfyller de tekniska kraven för effektförsörjning av bärbar elektronik. I avhandling strävas också efter att uppfylla hållbarhetsmålen och att minska miljöbelastningen genom att använda ”gratisenergi” i vår omgivning och även utnyttja material och processer som har minimal negativ påverkan på miljön. Den framtagna tekniken baseras på att trycka elektriska komponenter och kretsar på papper, vilket uppfyller kraven på miljövänlighet och hållbarhet. Produkten kan också göras liten, har låg vikt och är böjlig, vilket gör den väl lämpad för bärbara applikationer. Den blir också billig att tillverka och, genom att miljövänliga material används, kan den slängas eller brännas utan miljöpåverkan, till skillnad från mycket av den elektronik som vi använder idag.

Inledningsvis behandlas framtagningen av ett ledande bläck som också har nödvändiga egenskaper för att kunna tryckas på papper. Aktiva substanser ibläcket är 2D-materialet MXene, som har kemiska formeln Mn+1XnTx, där M är övergångsmetall, X är kol och/eller kväve och T representerar terminering, t ex-O, -F, -OH, eller liknande. Bäst resultat uppnåddes med Ti2CTx, som blandades med den ledande polymeren PEDOT:PSS (poly (3,4-etylendioxytiosfen):polystyrensulfonat). Detta bläck användes både för att tillverka mikrosuperkondensatorer (”microsupercapacitors”, MSCs), samt elektroder och elektriska anslutningar på pappret. Kapacitansen per area enet för denna MSC var 30 mF/cm2, vilket är bland de högsta värdena som hittills har presenterats för motsvarande komponenter. Arbetet med MSC och detledande bläcket beskrivs i publikationerna I och II. Senare delen av avhandlingen beskriver olika former av energiskördare, där publikation III beskriver en sk hydrovoltaisk generator som drivs av vågkraft och baseras på kombinationen TiO2 och grafen. Denna typ av generator visade sig fungera utmärkt, men gav relativt lågt uteffekt. Avhandlingens sista publikation beskriver en prototyp av en komplett strömförsörjningsenhet baserad på en triboelektrisk nanogenerator (TENG), tryckt på papper och kopplad till den tidigare beskrivna MSC. Hela systemet inryms på ca 2 cm2 papper och kan försörja en display till ett tidtagarur.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346179