Según un equipo internacional de investigadores, dirigido por Huanyu «Larry» Cheng, Dorothy Quiggle, profesora de desarrollo profesional en el Departamento de Penn State, podría ser posible un sistema elástico que pueda recolectar energía de la respiración y el movimiento humanos para su uso en dispositivos portátiles de control de la salud. Ciencias de la Ingeniería y Mecánica.
El equipo de investigación, con miembros de Penn State y la Universidad de Minjiang y la Universidad de Nanjing, ambas en China, publicó recientemente sus resultados en Nano Energy .
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, incluida la baja densidad de energía y la capacidad de estiramiento limitada.
«Esto es algo bastante diferente a lo que hemos trabajado antes, pero es una parte vital de la ecuación», dijo Cheng, y señaló que su grupo de investigación y sus colaboradores tienden a centrarse en el desarrollo de sensores en dispositivos portátiles. «Mientras trabajamos con 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 la 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 cargarse y descargarse rápidamente. Sin embargo, según Cheng, cuando se fabrican 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 proceso de integración complejo cuando se combinan con dispositivos electrónicos portátiles.
Esto llevó a Cheng y su equipo a explorar arquitecturas de dispositivos alternativos y procesos de integración para avanzar en el uso de micro-supercondensadores en dispositivos portátiles. Descubrieron que la disposición de las celdas de micro-supercondensadores 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 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 las celdas, las matrices de micro-supercondensadores mostraron una mayor capacidad de estiramiento y permitieron salidas de voltaje ajustables», dijo Cheng. «Esto permite que el sistema se estire reversiblemente hasta un 100%».
Mediante el uso de nanohojas ultrafinas de zinc-fósforo sin capas y espuma de grafeno inducida por láser 3D, un nanomaterial altamente poroso que se calienta automáticamente, para construir el diseño de puente de islas de las células, Cheng y su equipo vieron mejoras drásticas en la electricidad. conductividad y el número de iones cargados absorbidos. Esto demostró que estas matrices 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, dijo Cheng, que muestra el potencial de este sistema para alimentar dispositivos portátiles. dispositivos extensibles.
Fuente: Penn State . Original escrito por Tessa M. Pick.
