Uitrekbare micro-supercondensatoren: de toekomst van zelfvoedende draagbare gezondheidsapparaten

Huidige versies van batterijen en supercondensatoren die draagbare en uitrekbare gezondheidsmonitorings- en diagnostische apparaten voeden, hebben veel tekortkomingen, waaronder lage energiedichtheid en beperkte uitrekbaarheid.

Een alternatief voor batterijen, micro-supercondensatoren zijn energietopslagapparaten die lithium-ionbatterijen in draagbare apparaten kunnen aanvullen of vervangen. Micro-supercondensatoren hebben een kleine voetafdruk, hoge vermogensdichtheid en de capaciteit om snel op te laden en ontladen; echter, wanneer ze voor draagbare apparaten gefabriceerd worden, hebben conventionele micro-supercondensatoren een 'sandwich-achtige' gestapelde geometrie die slechte flexibiliteit, lange ionendiffusieafstanden en een complex integratieproces vertoont wanneer gecombineerd met draagbare elektronica.

Onderzoekers ontwikkelden alternatieve apparaatarchitecturen en integratieprocessen om het gebruik van micro-supercondensatoren in draagbare apparaten te verbeteren. Ze vonden dat het rangschikken van micro-supercondensatorcellen in een slangenachtige, eiland-brug-indeling de configuratie toelaat te rekken en te buigen aan de bruggen, terwijl de deformatie van de micro-supercondensatoren — de eilanden — wordt verminderd. Gecombineerd wordt de structuur wat de onderzoekers micro-supercondensator-arrays noemen. Door een eiland-brug-ontwerp te gebruiken bij het verbinden van cellen, vertoonden de micro-supercondensator-arrays verhoogde uitrekbaarheid en toelieten ze instelbare spanningsuitgangen, waardoor het systeem reversibel tot 100% uitgerekt kon worden.

Door niet-gelaagde, ultradunne zink-fosfor-nanosheets en 3D laser-geïnduceerde grafietschuim — een zeer poreus, zelfverhitend nanomateriaal — te gebruiken voor het eiland-brug-ontwerp van de cellen, zagen het team drastische verbeteringen in elektrische geleiding en het aantal geabsorbeerde geladen ionen. Dit bewijst dat deze micro-supercondensator-arrays efficiënt kunnen opladen en ontladen en de energie opslaan die nodig is om een draagbaar apparaat te voeden.

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

Door dit geïntegreerde systeem te combineren met een grafietgebaseerde rek-sensor, kunnen de energie-opslagende micro-supercondensator-arrays — opgeladen door de triboelektrische nanogeneratoren — de sensor voeden.