Potrebbe essere possibile un sistema estensibile in grado di raccogliere energia dalla respirazione e dal movimento umano da utilizzare in dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute, secondo un team internazionale di ricercatori, guidato da Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professore per lo sviluppo della carriera presso il Dipartimento di Ingegneria e Meccanica della Penn State.

Il gruppo di ricerca, con membri della Penn State, della Minjiang University e della Nanjing University, sia in Cina, ha recentemente pubblicato i suoi risultati in Nano energia .

Secondo Cheng, le attuali versioni di batterie e supercondensatori che alimentano dispositivi indossabili ed estensibili per il monitoraggio della salute e i dispositivi diagnostici presentano molte carenze, compresa la bassa densità di energia e l'elasticità limitata.

"Questo è qualcosa di molto diverso da quello su cui abbiamo lavorato prima, ma è una parte vitale dell'equazione, "Cheng ha detto, osservando che il suo gruppo di ricerca e i suoi collaboratori tendono a concentrarsi sullo sviluppo dei sensori nei dispositivi indossabili. "Mentre si lavora su sensori di gas e altri dispositivi indossabili, abbiamo sempre bisogno di combinare questi dispositivi con una batteria per l'alimentazione. L'uso di micro-supercondensatori ci dà la possibilità di autoalimentare il sensore senza la necessità di una batteria".

Un'alternativa alle batterie, i micro-supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia che possono integrare o sostituire le batterie agli ioni di litio in dispositivi indossabili. I micro-supercondensatori hanno un ingombro ridotto, alta densità di potenza, e la capacità di caricarsi e scaricarsi rapidamente. Però, secondo Cheng, quando fabbricato per dispositivi indossabili, i micro-supercondensatori convenzionali hanno una geometria impilata "a sandwich" che mostra scarsa flessibilità, lunghe distanze di diffusione ionica e un complesso processo di integrazione in combinazione con l'elettronica indossabile.

Ciò ha portato Cheng e il suo team a esplorare architetture di dispositivi alternative e processi di integrazione per far progredire l'uso di micro-supercondensatori nei dispositivi indossabili. Hanno scoperto che disponendo le celle di micro-supercondensatori in una serpentina, il layout isola-ponte consente alla configurazione di allungarsi e piegarsi ai ponti, riducendo la deformazione dei micro-supercondensatori:le isole. Quando combinato, la struttura diventa ciò che i ricercatori chiamano "array di micro-supercondensatori".

"Utilizzando un design a isola quando si collegano le celle, gli array di micro-supercondensatori mostravano una maggiore elasticità e consentivano uscite di tensione regolabili, " Ha detto Cheng. "Questo consente al sistema di essere allungato in modo reversibile fino al 100%".

Utilizzando non a strati, nanofogli ultrasottili di zinco-fosforo e schiuma di grafene indotta da laser 3D, un materiale altamente poroso, nanomateriale autoriscaldante - per costruire il design a ponte dell'isola delle celle, Cheng e il suo team hanno visto miglioramenti drastici nella conduttività elettrica e nel numero di ioni carichi assorbiti. Ciò ha dimostrato che questi array di micro-supercondensatori possono caricarsi e scaricarsi in modo efficiente e immagazzinare l'energia necessaria per alimentare un dispositivo indossabile.

I ricercatori hanno anche integrato il sistema con un nanogeneratore triboelettrico, una tecnologia emergente che converte il movimento meccanico in energia elettrica. Questa combinazione ha creato un sistema autoalimentato.

"Quando avremo questo modulo di ricarica wireless basato sul nanogeneratore triboelettrico, possiamo raccogliere energia in base al movimento, come piegare il gomito o respirare e parlare, " Ha detto Cheng. "Siamo in grado di utilizzare questi movimenti umani quotidiani per caricare i micro-supercondensatori".

Combinando questo sistema integrato con un sensore di deformazione a base di grafene, gli array di micro-supercondensatori ad accumulo di energia, caricati dai nanogeneratori triboelettrici, sono in grado di alimentare il sensore, Cheng ha detto, mostrando il potenziale di questo sistema per alimentare i dispositivi indossabili, dispositivi estensibili.