Растяжимые микросверхконденсаторы: Будущее самоалimentающихся носимых медицинских устройств

Текущие версии батарей и сверхконденсаторов, питания носимых и растяжимых устройств мониторинга здоровья и диагностики, имеют много недостатков, включая низкую энергоплотность и ограниченную растяжимость.

Альтернативой батареям, микросверхконденсаторы — это устройства накопления энергии, которые могут дополнять или заменять литий-ионные батареи в носимых устройствах. Микросверхконденсаторы имеют малый форм-фактор, высокую плотность мощности и способность быстро заряжаться и разряжаться; однако, когда они изготавливаются для носимых устройств, традиционные микросверхконденсаторы имеют «сэндвичеподобную» сложенную геометрию, которая демонстрирует плохую гибкость, большие дистанции диффузии ионов и сложный процесс интеграции при комбинировании с носимой электроникой.

Исследователи разработали альтернативные архитектуры устройств и процессы интеграции для продвижения использования микросверхконденсаторов в носимых устройствах. Они обнаружили, что расположение ячеек микросверхконденсаторов в змеевидной, островно-мостовой компоновке позволяет конфигурации растягиваться и гнуться на мостах, уменьшая деформацию микросверхконденсаторов — островков. При комбинировании структура становится тем, что исследователи называют массивами микросверхконденсаторов. Используя островно-мостовой дизайн при соединении ячеек, массивы микросверхконденсаторов продемонстрировали увеличенную растяжимость и позволили регулируемые выходные напряжения, позволяя системе быть обратимо растянутой до 100%.

Используянеслоистые, ультратонкие нанолисты цинк-фосфора и 3D-пенополимер графена, индуцированный лазером — высокопористый наноматериал с самонагревом — для построения островно-мостового дизайна ячеек, команда наблюдала драматические улучшения в электропроводности и количестве поглощенных заряженных ионов. Это доказало, что эти массивы микросверхконденсаторов могут эффективно заряжаться и разряжаться и накапливать энергию, необходимую для питания носимого устройства.

Исследователи также интегрировали систему с трибоэлектрическим наногенератором — новейшей технологией, преобразующей механическое движение в электрическую энергию. Это сочетание создало самоалimentающуюся систему. С модулем беспроводной зарядки, основанным на трибоэлектрическом наногенераторе, энергию можно собирать на основе движений, таких как сгибание локтя, дыхание и речь.

Комбинируя эту интегрированную систему с датчиком деформации на основе графена, массивы микросверхконденсаторов, заряжаемые трибоэлектрическими наногенераторами, способны питать датчик.