Puede ser posible un sistema extensible que pueda recolectar energía de la respiración y el movimiento humanos para su uso en dispositivos portátiles de control de la salud. según un equipo internacional de investigadores, dirigido por Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Profesora de desarrollo profesional en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica de Penn State.

El equipo de investigación con miembros de la Universidad de Penn State y Minjiang y la Universidad de Nanjing, ambos en China, publicó recientemente sus resultados en Nano energía .

Según Cheng, las versiones actuales de baterías y supercondensadores que alimentan dispositivos portátiles y extensibles de diagnóstico y monitoreo de la salud tienen muchas deficiencias, incluyendo baja densidad de energía y capacidad de estiramiento limitada.

"Esto es algo bastante diferente a lo que hemos trabajado antes, pero es una parte vital de la ecuación, "Cheng dijo, señalando que su grupo de investigación y colaboradores tienden a enfocarse en el desarrollo de sensores en dispositivos portátiles. "Mientras trabaja en sensores de gas y otros dispositivos portátiles, siempre necesitamos combinar estos dispositivos con una batería para alimentarlos. El uso de micro-supercondensadores nos da la capacidad de autoalimentar el sensor sin necesidad de una batería ".

Una alternativa a las baterías, Los micro-supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía que pueden complementar o reemplazar las baterías de iones de litio en dispositivos portátiles. Los micro-supercondensadores tienen una huella pequeña, alta densidad de potencia, y la capacidad de cargar y descargar rápidamente. Sin embargo, según Cheng, cuando se fabrica para dispositivos portátiles, Los micro-supercondensadores convencionales tienen una geometría apilada "similar a un sándwich" que muestra poca flexibilidad, largas distancias de difusión de iones y un complejo proceso de integración cuando se combinan con dispositivos electrónicos portátiles.

Esto llevó a Cheng y su equipo a explorar arquitecturas de dispositivos y procesos de integración alternativos para avanzar en el uso de micro-supercondensadores en dispositivos portátiles. Descubrieron que la disposición de las células de micro-supercondensadores en una serpentina, El diseño del puente de la isla permite que la configuración se estire y se doble en los puentes, reduciendo al mismo tiempo la deformación de los micro-supercondensadores:las islas. Cuando se combina, la estructura se convierte en lo que los investigadores denominan "matrices de micro-supercondensadores".

"Al utilizar un diseño de puente de isla al conectar celdas, las matrices de micro-supercondensadores mostraron una mayor capacidad de estiramiento y permitieron salidas de voltaje ajustables, "Esto permite que el sistema se estire reversiblemente hasta un 100%", dijo Cheng.

Al usar sin capas, nanohojas ultrafinas de zinc-fósforo y espuma de grafeno 3-D inducida por láser, una nanomaterial autocalentable:para construir el diseño de puente-isla de las células, Cheng y su equipo vieron mejoras drásticas en la conductividad eléctrica y la cantidad de iones cargados absorbidos. Esto demostró que estos conjuntos de micro-supercondensadores pueden cargarse y descargarse de manera eficiente y almacenar la energía necesaria para alimentar un dispositivo portátil.

Los investigadores también integraron el sistema con un nanogenerador triboeléctrico, una tecnología emergente que convierte el movimiento mecánico en energía eléctrica. Esta combinación creó un sistema autoamplificado.

"Cuando tenemos este módulo de carga inalámbrico que se basa en el nanogenerador triboeléctrico, podemos recolectar energía en función del movimiento, como doblar el codo o respirar y hablar, ", Dijo Cheng." Podemos utilizar estos movimientos humanos cotidianos para cargar los micro-supercondensadores ".

Al combinar este sistema integrado con un sensor de deformación basado en grafeno, las matrices de micro-supercondensadores que almacenan energía, cargadas por los nanogeneradores triboeléctricos, pueden alimentar el sensor, Cheng dijo:mostrando el potencial de este sistema para potenciar wearables, dispositivos extensibles.