Micro-Supercondensadores Elásticos: El Futuro de Dispositivos de Salud Portátiles Autoalimentados

Las versiones actuales de baterías y supercondensadores que alimentan dispositivos portátiles y elásticos de monitoreo y diagnóstico de salud tienen muchos inconvenientes, incluyendo baja densidad de energía y elasticidad limitada.

Una alternativa a las baterías, los micro-supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía que pueden complementar o reemplazar 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, cuando se fabrican para dispositivos portátiles, los micro-supercondensadores convencionales tienen una geometría apilada "tipo sándwich" que muestra poca flexibilidad, largas distancias de difusión iónica y un proceso de integración complejo cuando se combinan con electrónica portátil.

Los investigadores desarrollaron arquitecturas de dispositivos alternativas y procesos de integración para avanzar en el uso de micro-supercondensadores en dispositivos portátiles. Descubrieron que organizar celdas de micro-supercondensador en un diseño serpentino, isla-puente permite que la configuración se estire y doble en los puentes, mientras reduce la deformación de los micro-supercondensadores —las islas. Cuando se combinan, la estructura se convierte en lo que los investigadores llaman matrices de micro-supercondensadores. Al usar un diseño isla-puente al conectar celdas, las matrices de micro-supercondensadores mostraron mayor elasticidad y permitieron salidas de voltaje ajustables, permitiendo que el sistema se estire reversiblemente hasta un 100%.

Al usar nano-láminas de zinc-fósforo ultradelgadas, no estratificadas, y espuma de grafeno inducida por láser 3D —un nanomaterial altamente poroso y auto-calentador— para construir el diseño isla-puente de las celdas, el equipo vio mejoras drásticas en la conductividad eléctrica y el número de iones cargados absorbidos. Esto demostró que estas matrices de micro-supercondensadores pueden cargar y descargar eficientemente 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 inalámbrica basado en el nanogenerador triboeléctrico, la energía puede cosecharse basándose en movimiento como doblar un codo, respirar y hablar.

Al combinar este sistema integrado con un sensor de tensión basado en grafeno, las matrices de micro-supercondensadores almacenadoras de energía —cargadas por los nanogeneradores triboeléctricos— son capaces de alimentar el sensor.