自供电可拉伸的超级电容器问世 将用于可穿戴式健康监测和诊断设备

根据宾州州立大学多萝西·奎格（DorothyQuiggle）职业发展教授，和教授Huanyu“Larry”Cheng领导的国际研究小组的说法，一个可伸缩的系统可能会从人体的呼吸和运动中获取能量，用于可穿戴式健康监测设备。

由宾州州立大学，闽江大学和南京大学组成的研究团队最近在中国的《纳米能源》上发表了研究结果。

Cheng表示，为可穿戴和可伸展的健康监测和诊断设备提供动力的当前电池和超级电容器存在许多缺点，包括能量密度低和可拉伸性有限。

Cheng说：“这与我们以前的工作有很大不同，但这是方程式的重要组成部分。”他指出，他的研究小组和合作者倾向于将重点放在开发可穿戴设备中的传感器上。“在气体传感器和其他可穿戴设备上工作时，我们总是需要将这些设备与电池组合在一起才能供电。使用微型超级电容器使我们能够在不需要电池的情况下自给传感器供电。”

微型超级电容器是电池的替代品，是可以补充或替代可穿戴设备中锂离子电池的储能设备。微型超级电容器占地面积小，功率密度高，并且具有快速充电和放电的能力。然而，根据Cheng的说法，当为可穿戴设备制造时，常规的微型超级电容器具有“三明治”式的堆叠几何形状，与可穿戴电子设备结合使用时，柔性，长离子扩散距离长且集成过程复杂。

这促使Cheng和他的团队探索替代设备的体系结构和集成过程，以促进可穿戴设备中微型超级电容器的使用。他们发现，将微型超级电容器单元排列成蛇形岛桥布局，可使配置在桥处拉伸和弯曲，同时减少微型超级电容器（即岛）的变形。当组合在一起时，该结构便成为研究人员所称的“微型超级电容器阵列”。

Cheng说：“通过在连接电池时采用岛桥设计，微超级电容器阵列显示出增加的可拉伸性，并允许可调电压输出。”“这使系统可逆地拉伸到100％。”

通过使用无层超薄锌-磷纳米片和3D激光诱导的石墨烯泡沫-一种高度多孔的自热纳米材料-构建电池的岛桥设计，Cheng和他的团队看到了电学方面的巨大改进电导率和吸收的带电离子数。这证明了这些微型超级电容器阵列可以高效充电和放电，并存储为可穿戴设备供电所需的能量。

研究人员还将该系统与摩擦电纳米发电机相集成，这是一种将机械运动转换为电能的新兴技术。这种结合创造了一个自供电系统。

程说：“当我们有了基于摩擦纳米发电机的无线充电模块时，我们可以基于运动来收集能量，例如弯曲肘部或呼吸和说话。”“我们能够利用这些日常的人类运动来给微型超级电容器充电。”

通过将集成的系统与基于石墨烯的应变传感器相结合，由摩擦电纳米发电机充电的储能微型超级电容器阵列能够为传感器供电，Cheng说，这表明该系统有可能为可穿戴设备供电，可伸缩设备。

该项目的其他研究人员包括曾教授，助理教授。彭志祥，研究助理；超星，副教授；陈华明，副教授；Min江大学的助理教授黄春雷和王军的教授；ing江大学功能海洋传感材料福建省重点实验室助理教授唐绍龙，南京大学物理学教授。

国家自然科学基金；福建省青年教育委员会；美国国家科学基金会；美国国立卫生研究院国家心脏，肺和血液研究所对此工作提供了支持。