Ett töjbart system som kan hämta energi från mänsklig andning och rörelse för användning i bärbara hälsoövervakningsanordningar kan vara möjligt, enligt ett internationellt team av forskare, leds av Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriärutvecklingsprofessor vid Penn State Department of Engineering Science and Mechanics.

Forskargruppen, med medlemmar från Penn State och Minjiang University och Nanjing University, både i Kina, publicerade nyligen sina resultat i Nanoenergi .

Enligt Cheng, nuvarande versioner av batterier och superkondensatorer som driver bärbara och töjbara hälsoövervaknings- och diagnostiska enheter har många brister, inklusive låg energitäthet och begränsad töjbarhet.

"Det här är något helt annat än vad vi har arbetat med tidigare, men det är en viktig del av ekvationen, "Cheng sa, noterar att hans forskargrupp och medarbetare tenderar att fokusera på att utveckla sensorerna i bärbara enheter. "När man arbetar med gassensorer och andra bärbara enheter, vi behöver alltid kombinera dessa enheter med ett batteri för att driva. Att använda mikrosuperkondensatorer ger oss möjligheten att driva sensorn själv utan att behöva ett batteri."

Ett alternativ till batterier, mikro-superkondensatorer är energilagringsenheter som kan komplettera eller ersätta litiumjonbatterier i bärbara enheter. Mikrosuperkondensatorer har ett litet fotavtryck, hög effekttäthet, och möjligheten att ladda och ladda ur snabbt. Dock, enligt Cheng, när de är tillverkade för bärbara enheter, konventionella mikrosuperkondensatorer har en "sandwichliknande" staplad geometri som uppvisar dålig flexibilitet, långa jondiiffusionsavstånd och en komplex integrationsprocess i kombination med bärbar elektronik.

Detta ledde till att Cheng och hans team utforskade alternativa enhetsarkitekturer och integrationsprocesser för att främja användningen av mikrosuperkondensatorer i bärbara enheter. De fann att arrangera mikrosuperkondensatorceller i en serpentin, ö-bro-layout gör att konfigurationen kan sträckas och böjas vid broarna, samtidigt som de minskar deformationen av mikrosuperkondensatorerna — öarna. När de kombineras, strukturen blir vad forskarna kallar "mikro-supercapacitors arrays".

"Genom att använda en ö-bro-design vid anslutning av celler, mikro-superkondensatoruppsättningarna visade ökad sträckbarhet och möjliggjorde justerbara spänningsutgångar, ", sa Cheng. "Detta gör att systemet kan sträckas reversibelt upp till 100 %."

Genom att använda icke-lager, ultratunna zink-fosfor nanoark och 3-D laserinducerat grafenskum – ett mycket poröst, självuppvärmande nanomaterial – för att konstruera cellernas ö-brodesign, Cheng och hans team såg drastiska förbättringar i elektrisk ledningsförmåga och antalet absorberade laddade joner. Detta bevisade att dessa mikro-superkondensatorer kan laddas och laddas ur effektivt och lagra den energi som behövs för att driva en bärbar enhet.

Forskarna integrerade också systemet med en triboelektrisk nanogenerator, en framväxande teknologi som omvandlar mekanisk rörelse till elektrisk energi. Denna kombination skapade ett självförsörjande system.

"När vi har den här trådlösa laddningsmodulen som är baserad på den triboelektriska nanogeneratorn, vi kan skörda energi baserat på rörelse, som att böja armbågen eller andas och prata, ", sa Cheng. "Vi kan använda dessa vardagliga mänskliga rörelser för att ladda mikrosuperkondensatorerna."

Genom att kombinera detta integrerade system med en grafenbaserad töjningssensor, de energilagrande mikrosuperkondensatoruppsättningarna – laddade av de triboelektriska nanogeneratorerna – kan driva sensorn, Cheng sa, visar potentialen för detta system att driva bärbara, töjbara anordningar.