Dehnbare Mikro-Superkondensatoren Self-Power Wearable Devices

Aktuelle Versionen von Batterien und Superkondensatoren, die tragbare und dehnbare Gesundheitsüberwachungs- und Diagnosegeräte mit Strom versorgen, weisen viele Mängel auf, darunter eine geringe Energiedichte und eine begrenzte Dehnbarkeit.

Als Alternative zu Batterien sind Mikro-Superkondensatoren Energiespeichergeräte, die Lithium-Ionen-Batterien in tragbaren Geräten ergänzen oder ersetzen können. Mikro-Superkondensatoren haben einen kleinen Footprint, eine hohe Leistungsdichte und die Fähigkeit, schnell zu laden und zu entladen; Wenn sie jedoch für tragbare Geräte hergestellt werden, haben herkömmliche Mikro-Superkondensatoren eine „sandwichartige“ gestapelte Geometrie, die eine schlechte Flexibilität, lange Ionendiffusionsentfernungen und einen komplexen Integrationsprozess aufweist, wenn sie mit tragbarer Elektronik kombiniert werden.

Die Forscher entwickelten alternative Gerätearchitekturen und Integrationsprozesse, um die Verwendung von Mikro-Superkondensatoren in tragbaren Geräten voranzutreiben. Sie fanden heraus, dass die Anordnung von Mikro-Superkondensatorzellen in einem schlangenförmigen Insel-Brücken-Layout es der Konfiguration ermöglicht, sich an den Brücken zu dehnen und zu biegen, während die Verformung der Mikro-Superkondensatoren – der Inseln – reduziert wird. Wenn sie kombiniert werden, wird die Struktur zu dem, was die Forscher als Mikro-Superkondensator-Arrays bezeichnen. Durch die Verwendung eines Inselbrückendesigns beim Verbinden von Zellen zeigten die Mikro-Superkondensator-Arrays eine erhöhte Dehnbarkeit und ermöglichten einstellbare Spannungsausgänge, wodurch das System reversibel bis zu 100 % gedehnt werden konnte.

Durch die Verwendung von nicht geschichteten, ultradünnen Zink-Phosphor-Nanoblättern und 3D-laserinduziertem Graphenschaum – einem hochporösen, selbsterwärmenden Nanomaterial – zur Konstruktion des Inselbrückendesigns der Zellen sah das Team drastische Verbesserungen der elektrischen Leitfähigkeit und die Anzahl der absorbierten geladenen Ionen. Dies bewies, dass diese Mikro-Superkondensator-Arrays effizient laden und entladen und die Energie speichern können, die zur Stromversorgung eines tragbaren Geräts benötigt wird.

Die Forscher integrierten das System auch mit einem triboelektrischen Nanogenerator – einer neuen Technologie, die mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandelt. Diese Kombination schuf ein autarkes System. Mit dem drahtlosen Lademodul, das auf dem triboelektrischen Nanogenerator basiert, kann Energie basierend auf Bewegungen wie dem Beugen eines Ellbogens, Atmen und Sprechen gewonnen werden.

Durch die Kombination dieses integrierten Systems mit einem Dehnungssensor auf Graphenbasis können die energiespeichernden Mikro-Superkondensator-Arrays – die von den triboelektrischen Nanogeneratoren aufgeladen werden – den Sensor mit Strom versorgen.