Исследовательская группа, в которую входят представители Государственного университета Пенсильвании, Университета Миньцзян и Нанкинского университета, которые находятся в Китае, недавно опубликовала свои результаты в журнале Nano Energy.
По словам Ченга, текущие версии батарей и суперконденсаторов, питающих носимые и растягиваемые устройства для контроля и диагностики состояния здоровья, имеют множество недостатков, в том числе низкую плотность энергии и ограниченную растяжимость.
«Это нечто совершенно иное, чем то, над чем мы работали раньше, но это жизненно важная часть уравнения», – сказал Ченг, отметив, что его исследовательская группа и сотрудники, как правило, сосредоточены на разработке датчиков в носимых устройствах. «При работе с датчиками газа и другими носимыми устройствами нам всегда необходимо комбинировать эти устройства с аккумулятором для питания. Использование микро-суперконденсаторов дает нам возможность автономного питания датчика без необходимости в батарее."
Альтернативой батареям являются микро-суперконденсаторы – это устройства хранения энергии, которые могут дополнять или заменять литий-ионные батареи в носимых устройствах. Микро-суперконденсаторы имеют небольшие размеры, высокую удельную мощность и способность быстро заряжаться и разряжаться.
Однако, по словам Ченга, при изготовлении обычных микро-суперконденсаторов для носимых устройств они имеют многослойную геометрию, которая демонстрирует плохую гибкость, большие расстояния диффузии ионов и сложный процесс интеграции в сочетании с носимой электроникой.
Это побудило Ченга и его команду исследовать альтернативные архитектуры устройств и процессы интеграции, чтобы продвинуть использование микро-суперконденсаторов в носимых устройствах.
Они обнаружили, что расположение ячеек микро-суперконденсаторов по змеевидной схеме остров-мост позволяет конфигурации растягиваться и изгибаться в перемычках, уменьшая при этом деформацию микро-суперконденсаторов – островков. При объединении структура становится тем, что исследователи называют «решетками микроконденсаторов."
«Благодаря использованию конструкции островного моста при соединении ячеек, массивы микроконденсаторов продемонстрировали повышенную растяжимость и позволили регулировать выходное напряжение», – сказал Ченг. «Это позволяет растянуть систему обратимо до 100%."
Используя неслойные ультратонкие нанолисты цинк-фосфор и трехмерную лазерно-индуцированную графеновую пену – высокопористый самонагревающийся наноматериал – для создания конструкции ячеек с островным мостом, Ченг и его команда добились значительных улучшений в области электрических технологий. проводимость и количество поглощенных заряженных ионов.
Это доказало, что эти массивы микроконденсаторов могут эффективно заряжаться и разряжаться, а также накапливать энергию, необходимую для питания носимого устройства.
Исследователи также интегрировали систему с трибоэлектрическим наногенератором, новой технологией, которая преобразует механическое движение в электрическую энергию. Эта комбинация создала автономную систему.
«Когда у нас есть этот модуль беспроводной зарядки, основанный на трибоэлектрическом наногенераторе, мы можем собирать энергию на основе движения, такого как сгибание локтя или дыхание и речь», – сказал Ченг. «Мы можем использовать эти повседневные движения человека для зарядки микро-суперконденсаторов."
Комбинируя эту интегрированную систему с датчиком деформации на основе графена, массивы аккумулирующих энергию микро-суперконденсаторов, заряжаемых трибоэлектрическими наногенераторами, могут питать датчик, сказал Ченг, показывая потенциал этой системы для питания носимых устройств. растягиваемые устройства.