Strækbare mikro-superkondensatorer til selvforsynende bærbare enheder

Et strækbart system, der kan høste energi fra menneskelig vejrtrækning og bevægelse til brug i bærbare sundhedsovervågningsenheder, kan være muligt, ifølge et internationalt hold af forskere, ledet af Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriereudviklingsprofessor i Penn State's Department of Engineering Science and Mechanics.

Forskerholdet, med medlemmer fra Penn State og Minjiang University og Nanjing University, både i Kina, for nylig offentliggjort sine resultater i Nano energi .

Ifølge Cheng, nuværende versioner af batterier og superkondensatorer, der driver bærbare og strækbare sundhedsovervågnings- og diagnostiske enheder, har mange mangler, herunder lav energitæthed og begrænset strækbarhed.

"Dette er noget helt andet end det, vi har arbejdet med før, men det er en vigtig del af ligningen, "Cheng sagde, bemærker, at hans forskningsgruppe og samarbejdspartnere har en tendens til at fokusere på at udvikle sensorerne i bærbare enheder. "Mens du arbejder på gassensorer og andre bærbare enheder, vi skal altid kombinere disse enheder med et batteri til strømforsyning. Brug af mikro-superkondensatorer giver os mulighed for selv at strømforsyne sensoren uden behov for et batteri."

Et alternativ til batterier, mikro-superkondensatorer er energilagringsenheder, der kan supplere eller erstatte lithium-ion-batterier i bærbare enheder. Mikro-superkondensatorer har et lille fodaftryk, høj effekttæthed, og evnen til at oplade og aflade hurtigt. Imidlertid, ifølge Cheng, når de er fremstillet til bærbare enheder, konventionelle mikro-superkondensatorer har en "sandwich-lignende" stablet geometri, der viser dårlig fleksibilitet, lange ion-diffusionsafstande og en kompleks integrationsproces i kombination med bærbar elektronik.

Dette fik Cheng og hans team til at udforske alternative enhedsarkitekturer og integrationsprocesser for at fremme brugen af ​​mikro-superkondensatorer i bærbare enheder. De fandt ud af, at at arrangere mikro-superkondensatorceller i en serpentin, ø-bro layout gør det muligt for konfigurationen at strække og bøje ved broerne, mens de reducerer deformation af mikro-superkondensatorerne - øerne. Når det kombineres, strukturen bliver, hvad forskerne omtaler som "mikro-supercapacitors arrays."

"Ved at bruge et ø-bro-design, når celler forbindes, mikro-superkondensator-arrays viste øget strækbarhed og gav mulighed for justerbare spændingsudgange, " sagde Cheng. "Dette gør det muligt at strække systemet reversibelt op til 100 %."

Ved at bruge ikke-lag, ultratynde zink-fosfor nanoplader og 3-D laser-induceret grafenskum - et meget porøst, selvopvarmende nanomateriale - for at konstruere ø-bro-designet af cellerne, Cheng og hans team så drastiske forbedringer i elektrisk ledningsevne og antallet af absorberede ladede ioner. Dette beviste, at disse mikro-supercapacitor-arrays kan oplade og aflade effektivt og lagre den nødvendige energi til at drive en bærbar enhed.

Forskerne integrerede også systemet med en triboelektrisk nanogenerator, en ny teknologi, der konverterer mekanisk bevægelse til elektrisk energi. Denne kombination skabte et selvdrevet system.

"Når vi har dette trådløse opladningsmodul, der er baseret på den triboelektriske nanogenerator, vi kan høste energi baseret på bevægelse, såsom at bøje albuen eller trække vejret og tale, " sagde Cheng. "Vi er i stand til at bruge disse daglige menneskelige bevægelser til at oplade mikro-superkondensatorerne."

Ved at kombinere dette integrerede system med en grafen-baseret belastningssensor, de energilagrende mikro-supercapacitor arrays - opladet af de triboelektriske nanogeneratorer - er i stand til at drive sensoren, Cheng sagde, viser potentialet for dette system til at drive wearable, strækbare enheder.