Un système extensible qui peut récupérer l'énergie de la respiration et du mouvement humains pour une utilisation dans des dispositifs portables de surveillance de la santé peut être possible, selon une équipe internationale de chercheurs, dirigé par Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professeur de développement de carrière au Département des sciences de l'ingénieur et de la mécanique de Penn State.

L'équipe de recherche, avec des membres de Penn State et de l'Université de Minjiang et de l'Université de Nanjing, à la fois en Chine, a récemment publié ses résultats dans Nano énergie .

Selon Cheng, les versions actuelles des batteries et des supercondensateurs alimentant des dispositifs portables et extensibles de surveillance de la santé et de diagnostic présentent de nombreux défauts, y compris une faible densité d'énergie et une extensibilité limitée.

"C'est quelque chose de très différent de ce sur quoi nous avons travaillé auparavant, mais c'est une partie vitale de l'équation, " Cheng a dit, notant que son groupe de recherche et ses collaborateurs ont tendance à se concentrer sur le développement des capteurs dans les appareils portables. « En travaillant sur des capteurs de gaz et d'autres appareils portables, nous devons toujours combiner ces appareils avec une batterie pour l'alimentation. L'utilisation de micro-supercondensateurs nous donne la possibilité d'auto-alimenter le capteur sans avoir besoin d'une batterie."

Une alternative aux piles, Les micro-supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie qui peuvent compléter ou remplacer les batteries lithium-ion dans les appareils portables. Les micro-supercondensateurs ont un faible encombrement, haute densité de puissance, et la capacité de charger et de décharger rapidement. Cependant, selon Cheng, lorsqu'ils sont fabriqués pour des appareils portables, les micro-supercondensateurs conventionnels ont une géométrie empilée "sandwich" qui affiche une faible flexibilité, de longues distances de diffusion des ions et un processus d'intégration complexe lorsqu'ils sont combinés avec de l'électronique portable.

Cela a conduit Cheng et son équipe à explorer des architectures de dispositifs alternatives et des processus d'intégration pour faire progresser l'utilisation des micro-supercondensateurs dans les dispositifs portables. Ils ont découvert que l'arrangement des cellules de micro-supercondensateur dans une serpentine, la disposition en îlot-pont permet à la configuration de s'étirer et de se plier au niveau des ponts, tout en réduisant la déformation des micro-supercondensateurs, les îlots. Lorsqu'ils sont combinés, la structure devient ce que les chercheurs appellent des « réseaux de micro-supercondensateurs ».

« En utilisant une conception en pont en îlot lors de la connexion des cellules, les réseaux de micro-supercondensateurs présentaient une extensibilité accrue et permettaient des sorties de tension réglables, " a déclaré Cheng. " Cela permet au système d'être étiré de manière réversible jusqu'à 100%. "

En utilisant des non-couches, nanofeuillets de zinc-phosphore ultrafins et mousse de graphène induite par laser 3-D - un matériau hautement poreux, nanomatériau auto-échauffant - pour construire la conception en îlot des cellules, Cheng et son équipe ont constaté des améliorations drastiques de la conductivité électrique et du nombre d'ions chargés absorbés. Cela a prouvé que ces réseaux de micro-supercondensateurs peuvent se charger et se décharger efficacement et stocker l'énergie nécessaire pour alimenter un appareil portable.

Les chercheurs ont également intégré le système à un nanogénérateur triboélectrique, une technologie émergente qui convertit le mouvement mécanique en énergie électrique. Cette combinaison a créé un système auto-alimenté.

« Quand nous aurons ce module de charge sans fil basé sur le nanogénérateur triboélectrique, nous pouvons récolter de l'énergie basée sur le mouvement, comme plier le coude ou respirer et parler, " a déclaré Cheng. " Nous sommes capables d'utiliser ces mouvements humains quotidiens pour charger les micro-supercondensateurs. "

En combinant ce système intégré avec un capteur de contrainte à base de graphène, les réseaux de micro-supercondensateurs à stockage d'énergie, chargés par les nanogénérateurs triboélectriques, sont capables d'alimenter le capteur, Cheng a dit, montrant le potentiel de ce système pour alimenter le portable, appareils extensibles.