Rekbare micro-supercondensatoren Self-power draagbare apparaten

De huidige versies van batterijen en supercondensatoren die draagbare en rekbare apparaten voor gezondheidsbewaking en diagnose van stroom voorzien, hebben veel tekortkomingen, waaronder een lage energiedichtheid en beperkte rekbaarheid.

Een alternatief voor batterijen, micro-supercondensatoren, zijn apparaten voor energieopslag die lithium-ionbatterijen in draagbare apparaten kunnen aanvullen of vervangen. Micro-supercondensatoren hebben een kleine footprint, een hoge vermogensdichtheid en het vermogen om snel op te laden en te ontladen; Wanneer ze echter worden gefabriceerd voor draagbare apparaten, hebben conventionele micro-supercondensatoren een "sandwich-achtige" gestapelde geometrie die een slechte flexibiliteit, lange ionendiffusieafstanden en een complex integratieproces vertoont in combinatie met draagbare elektronica.

Onderzoekers ontwikkelden alternatieve apparaatarchitecturen en integratieprocessen om het gebruik van micro-supercondensatoren in draagbare apparaten te bevorderen. Ze ontdekten dat het plaatsen van micro-supercondensatorcellen in een serpentine, eilandbrug-lay-out het mogelijk maakt om de configuratie uit te rekken en te buigen bij de bruggen, terwijl de vervorming van de micro-supercondensatoren - de eilanden - wordt verminderd. Wanneer ze worden gecombineerd, wordt de structuur wat de onderzoekers micro-supercapacitor-arrays noemen. Door een eilandbrugontwerp te gebruiken bij het aansluiten van cellen, vertoonden de micro-supercondensatorarrays een verhoogde rekbaarheid en maakten ze instelbare spanningsuitgangen mogelijk, waardoor het systeem omkeerbaar tot 100% kon worden uitgerekt.

Door gebruik te maken van niet-gelaagde, ultradunne, zink-fosfor nanosheets en 3D-laser-geïnduceerd grafeenschuim - een zeer poreus, zelfverwarmend nanomateriaal - om het eilandbrugontwerp van de cellen te construeren, zag het team drastische verbeteringen in elektrische geleidbaarheid en het aantal geabsorbeerde geladen ionen. Dit bewees dat deze micro-supercondensatorarrays efficiënt kunnen opladen en ontladen en de energie kunnen opslaan die nodig is om een ​​draagbaar apparaat van stroom te voorzien.

De onderzoekers integreerden het systeem ook met een tribo-elektrische nanogenerator - een opkomende technologie die mechanische beweging omzet in elektrische energie. Deze combinatie creëerde een zelfaangedreven systeem. Met de draadloze oplaadmodule die is gebaseerd op de tribo-elektrische nanogenerator, kan energie worden geoogst op basis van beweging, zoals een elleboog buigen, ademen en spreken.

Door dit geïntegreerde systeem te combineren met een op grafeen gebaseerde spanningssensor, kunnen de energieopslaande micro-supercondensatorarrays - opgeladen door de tribo-elektrische nanogeneratoren - de sensor van stroom voorzien.