По мнению международной группы исследователей, возглавляемой Хуанью Ченг, профессором по развитию карьеры Дороти Квиггл в Департаменте штата Пенсильвания, может стать возможной гибкая система, которая будет собирать энергию от дыхания и движения человека для использования в носимых устройствах для мониторинга здоровья.
Исследовательская группа, в состав которой входят представители Государственного университета Пенсильвании, Университета Миньцзян и Нанкинского университета в Китае, недавно опубликовала свои результаты в Nano Energy. По словам Ченга, текущие версии батарей и суперконденсаторов, питающих носимые и растягиваемые устройства для контроля и диагностики состояния здоровья, имеют множество недостатков, включая низкую плотность энергии и ограниченную растяжимость.
Это нечто совершенно иное, чем то, над чем инженеры работали раньше, но это жизненно важная часть уравнения. 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 накопления 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 для носимых устройств обычные микро-суперконденсаторы имеют многослойную сложенную 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 микроконденсаторов в носимых устройствах. Они обнаружили, что расположение ячеек микро-суперконденсаторов в виде змеевиков, остров-мост позволяет конфигурации растягиваться и изгибаться в мостиках, уменьшая при этом деформацию микро-суперконденсаторов — островов. При объединении структура становится тем, что исследователи называют "решетками микроконденсаторов".
Используя неслойные ультратонкие нанолисты цинк-фосфор и трехмерную лазерно-индуцированную графеновую пену — высокопористый самонагревающийся наноматериал — для создания конструкции островного моста из ячеек, Ченг и его команда увидели радикальные улучшения в электропроводности и количество поглощенных заряженных ионов. Это доказало, что эти массивы суперконденсаторов могут эффективно заряжаться и разряжаться и накапливать энергию, необходимую для питания носимого устройства.
Исследователи также интегрировали систему с трибоэлектрическим наногенератором — новой технологией, преобразующей механическое движение в электрическую энергию. Эта комбинация создала систему с автономным питанием.
Комбинируя эту интегрированную систему с датчиком деформации на основе графена, массивы энергонакопительных микро-суперконденсаторов, заряжаемых трибоэлектрическими наногенераторами, могут питать датчик, сказал Ченг, показывая потенциал этой системы для питания переносных гибких устройств.
