Dispositivos portátiles de autoalimentación con microsupercondensadores extensibles

Las versiones actuales de baterías y supercondensadores que alimentan dispositivos de diagnóstico y monitoreo de salud portátiles y extensibles tienen muchas deficiencias, incluida una baja densidad de energía y una capacidad de estiramiento limitada.

Una alternativa a las baterías, los microsupercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía que pueden complementar o reemplazar las baterías de iones de litio en dispositivos portátiles. Los microsupercondensadores tienen un tamaño reducido, alta densidad de potencia y la capacidad de cargarse y descargarse rápidamente; sin embargo, cuando se fabrican para dispositivos portátiles, los microsupercondensadores convencionales tienen una geometría apilada "similar a un sándwich" que muestra poca flexibilidad, largas distancias de difusión de iones y un proceso de integración complejo cuando se combinan con dispositivos electrónicos portátiles.

Los investigadores desarrollaron arquitecturas de dispositivos y procesos de integración alternativos para avanzar en el uso de microsupercondensadores en dispositivos portátiles. Descubrieron que la disposición de las celdas de microsupercondensadores en un diseño de puente de isla serpenteante permite que la configuración se estire y se doble en los puentes, al tiempo que reduce la deformación de los microsupercondensadores:las islas. Cuando se combinan, la estructura se convierte en lo que los investigadores denominan matrices de microsupercondensadores. Mediante el uso de un diseño de puente de isla al conectar las celdas, las matrices de microsupercondensadores mostraron una mayor capacidad de estiramiento y permitieron salidas de voltaje ajustables, lo que permitió que el sistema se estirara de forma reversible hasta el 100 %.

Mediante el uso de nanoláminas de zinc-fósforo ultrafinas sin capas y espuma de grafeno inducida por láser 3D (un nanomaterial altamente poroso que se autocalienta) para construir el diseño de puente de isla de las células, el equipo observó mejoras drásticas en la conductividad eléctrica. y el número de iones cargados absorbidos. Esto demostró que estas matrices de microsupercondensadores 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 autoalimentado. Con el módulo de carga inalámbrico que se basa en el nanogenerador triboeléctrico, la energía se puede recolectar en función del movimiento, como doblar un codo, respirar y hablar.

Al combinar este sistema integrado con un sensor de tensión basado en grafeno, las matrices de microsupercondensadores que almacenan energía, cargadas por los nanogeneradores triboeléctricos, pueden alimentar el sensor.