Rekbare micro-supercondensatoren tot draagbare apparaten met eigen stroomvoorziening

Volgens een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Huanyu “Larry” Cheng, Dorothy Quiggle hoogleraar loopbaanontwikkeling bij Penn State’s Department of Ingenieurswetenschappen en mechanica.

Het onderzoeksteam, met leden van Penn State en Minjiang University en Nanjing University, beide in China, publiceerde onlangs zijn resultaten in Nano-energie.

Volgens Cheng hebben de huidige versies van batterijen en supercondensatoren die draagbare en rekbare apparaten voor gezondheidsbewaking en diagnose voeden, veel tekortkomingen, waaronder een lage energiedichtheid en beperkte rekbaarheid.

“Dit is iets heel anders dan waar we eerder aan hebben gewerkt, maar het is een essentieel onderdeel van de vergelijking”, zei Cheng, erop wijzend dat zijn onderzoeksgroep en medewerkers de neiging hebben om zich te concentreren op het ontwikkelen van sensoren in draagbare apparaten. “Tijdens het werken aan gassensoren en andere draagbare apparaten, moeten we deze apparaten altijd combineren met een batterij om van stroom te voorzien. Door micro-supercondensatoren te gebruiken, kunnen we de sensor zelf van stroom voorzien zonder dat we een batterij nodig hebben.”

Een alternatief voor batterijen, micro-supercondensatoren zijn energieopslagapparaten die lithium-ionbatterijen in draagbare apparaten kunnen aanvullen of vervangen. Micro-supercondensatoren hebben een kleine footprint, een hoge vermogensdichtheid en kunnen snel worden opgeladen en ontladen. Volgens Cheng hebben conventionele microsupercondensatoren echter een “sandwich-achtige” gestapelde geometrie wanneer ze worden vervaardigd voor draagbare apparaten, die een slechte flexibiliteit, lange ionendiffusieafstanden en een complex integratieproces vertoont in combinatie met draagbare elektronica.

Dit bracht Cheng en zijn team ertoe om alternatieve apparaatarchitecturen en integratieprocessen te onderzoeken om het gebruik van micro-supercondensatoren in draagbare apparaten te bevorderen. Ze ontdekten dat het rangschikken van micro-supercondensatorcellen in een kronkelige, eiland-brug-lay-out het mogelijk maakt dat de configuratie uitrekt en buigt bij de bruggen, terwijl de vervorming van de micro-supercondensatoren – de eilanden – wordt verminderd. Wanneer ze worden gecombineerd, wordt de structuur wat de onderzoekers ‘micro-supercondensatoren-arrays’ noemen.

“Door een eilandbrugontwerp te gebruiken bij het aansluiten van cellen, vertoonden de micro-supercondensator-arrays een grotere rekbaarheid en maakten ze instelbare spanningsuitgangen mogelijk”, zei Cheng. “Hierdoor kan het systeem omkeerbaar tot 100% uitgerekt worden.”

Door niet-gelaagde, ultradunne zink-fosfor nanobladen en 3D-laser-geïnduceerd grafeenschuim – een zeer poreus, zelfverwarmend nanomateriaal – te gebruiken om het eilandbrugontwerp van de cellen te construeren, zagen Cheng en zijn team drastische verbeteringen in elektrische geleidbaarheid en het aantal geabsorbeerde geladen ionen. Dit bewees dat deze micro-supercondensator-arrays efficiënt kunnen laden en ontladen en de energie kunnen opslaan die nodig is om een ​​draagbaar apparaat van stroom te voorzien.

De onderzoekers integreerden het systeem ook met een tribo-elektrische nanogenerator, een opkomende technologie die mechanische beweging omzet in elektrische energie. Deze combinatie creëerde een self-powered systeem.

“Als we deze draadloze oplaadmodule hebben die is gebaseerd op de tribo-elektrische nanogenerator, kunnen we energie oogsten op basis van beweging, zoals je elleboog buigen of ademen en spreken”, zei Cheng. “We zijn in staat om deze alledaagse menselijke bewegingen te gebruiken om de micro-supercondensatoren op te laden.”

Door dit geïntegreerde systeem te combineren met een op grafeen gebaseerde spanningssensor, kunnen de energieopslagende micro-supercondensator-arrays – opgeladen door de tribo-elektrische nanogeneratoren – de sensor van stroom voorzien, zei Cheng, die het potentieel van dit systeem aantoont om draagbare, rekbare apparaten van stroom te voorzien. .