Een rekbaar systeem dat energie kan oogsten uit menselijke ademhaling en beweging voor gebruik in draagbare apparaten voor gezondheidsmonitoring, zou mogelijk zijn, volgens een internationaal team van onderzoekers, geleid door Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professor in loopbaanontwikkeling bij het Department of Engineering Science and Mechanics van Penn State.

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

Volgens Chen, huidige versies van batterijen en supercondensatoren die draagbare en rekbare apparaten voor gezondheidsbewaking en diagnose van stroom voorzien, hebben veel tekortkomingen, inclusief 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, "Cheng zei, opmerkend dat zijn onderzoeksgroep en medewerkers de neiging hebben zich te concentreren op het ontwikkelen van de sensoren in draagbare apparaten. "Terwijl we aan gassensoren en andere draagbare apparaten werken, we moeten deze apparaten altijd combineren met een batterij voor stroomvoorziening. Het gebruik van micro-supercondensatoren geeft ons de mogelijkheid om de sensor zelf van stroom te voorzien zonder dat er een batterij nodig is."

Een alternatief voor batterijen, micro-supercondensatoren zijn apparaten voor energieopslag die lithium-ionbatterijen in draagbare apparaten kunnen aanvullen of vervangen. Micro-supercondensatoren hebben een kleine footprint, hoge vermogensdichtheid, en het vermogen om snel op te laden en te ontladen. Echter, volgens Chen, wanneer vervaardigd voor draagbare apparaten, conventionele micro-supercondensatoren hebben een "sandwich-achtige" gestapelde geometrie die een slechte flexibiliteit vertoont, lange ionendiffusieafstanden en een complex integratieproces 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 serpentine, eiland-brug lay-out maakt het mogelijk om de configuratie uit te rekken en te buigen bij de bruggen, terwijl de vervorming van de micro-supercondensatoren - de eilanden - wordt verminderd. Wanneer gecombineerd, de structuur wordt wat de onderzoekers 'micro-supercapacitors-arrays' noemen.

"Door een eilandbrugontwerp te gebruiken bij het verbinden van cellen, de micro-supercondensatorarrays vertoonden een verhoogde rekbaarheid en maakten instelbare spanningsuitgangen mogelijk, "Zei Cheng. "Hierdoor kan het systeem omkeerbaar worden uitgerekt tot 100%."

Door gebruik te maken van niet-gelaagde, ultradunne zink-fosfor nanosheets en 3D laser-geïnduceerd grafeenschuim - een zeer poreus, zelfverwarmend nanomateriaal - om het eilandbrugontwerp van de cellen te construeren, Cheng en zijn team zagen drastische verbeteringen in de elektrische geleidbaarheid en het aantal geabsorbeerde geladen ionen. Dit bewees dat deze micro-supercondensatorarrays efficiënt kunnen opladen 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 zelfaangedreven systeem.

"Als we deze draadloze oplaadmodule hebben die is gebaseerd op de tribo-elektrische nanogenerator, we kunnen energie oogsten op basis van beweging, zoals het buigen van uw elleboog 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 reksensor, de energie-opslaande micro-supercondensator-arrays - opgeladen door de tribo-elektrische nanogeneratoren - kunnen de sensor van stroom voorzien, Chen zei, laat zien dat dit systeem draagbare, rekbare apparaten.