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基于3D激光诱导石墨烯的可伸缩微型超级电容器自供电可穿戴设备

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放大字体  缩小字体    发布日期:2020-12-11  浏览次数:534
核心提示:由宾夕法尼亚州立大学工程焕宇教授科学与力学系的多萝西·奎格(Dorothy Quiggle)职业发展教授,教授Huanyu" Larry" 程焕宇教授带领的一组国际研究人员,已经开发出一种自供电,可拉伸的系统,该系统将用于可穿戴式健康监测和诊断设备。
  基于3D激光诱导的石墨烯可伸缩的微型超级电容器,可自供电可穿戴设备
 
  由宾夕法尼亚州立大学工程焕宇教授科学与力学系的多萝西·奎格(Dorothy Quiggle)职业发展教授,教授Huanyu" Larry" 程焕宇教授带领的一组国际研究人员,已经开发出一种自供电,可拉伸的系统,该系统将用于可穿戴式健康监测和诊断设备。
 
  使用微型超级电容器可以实现"可拉伸"的自供电系统,用于健康医疗领域。监视设备,而没有当前电池和超级电容器的"缺点",例如低能量密度和有限的可拉伸性。
 
  "在研究气体传感器和其他可穿戴设备时,我们总是需要将这些设备与电池组合在一起才能供电," 程焕宇教授说。"使用微型超级电容器使我们无需电池即可为传感器自供电。"
 
  微型超级电容器是可以补充或替代锂离子电池的能量存储设备,具有占地面积小,功率密度高以及能够快速充电和放电的能力。程焕宇教授指出,当为可穿戴设备制造时,常规的微型超级电容器具有堆叠的几何形状,显示出较差的柔韧性。
 
  因而由来自美国宾夕法尼亚州立大学,闽江大学和中国南京大学的成员组成的团队最近发表在《Nano Energy》上的研究结果表明,将微型超级电容器单元排列成"蛇形"岛状桥状布局,可使配置在桥处拉伸和弯曲,同时减少微型超级电容器的变形。当结合在一起时,该结构便被研究人员称为"微型超级电容器阵列"。
 
  微型超级电容器是有前途的能量存储设备,可以补充甚至替代可穿戴和可拉伸微电子设备中的锂离子电池。但是,它们通常具有较低的能量密度和有限的机械拉伸性。
 
  本研究是基于混合电极的多合一平面微型超级电容器阵列(MSCA),超薄ZnP纳米片锚固在3D激光诱导的石墨烯泡沫(ZnP @ LIG)上,排列在岛桥设备体系结构中。具有大比表面积的混合电极表现出优异的离子和电导率,在1 A g -1下具有1425 F g -1(7.125 F cm -2)的引人注目的重量(面积)电容,并具有长期稳定性。
 
  除了高能量(245 m Wh厘米密度(2)和功率(在145 m Wh cm -2处为12.50 mW kg -1),具有出色的循环稳定性的MSCA在岛桥设计中还通过MSC电池的串联和并联连接展示了可调的电压和电流输出。还可以将系统可逆地拉伸到100%。
 
  同时,通过UV-vis吸收光谱验证的理论计算部分表明,提高的电容量和速率能力可能是由于电导率和吸附的带电离子数(Na 2 SO 4水溶液中的Na +和K +(在PVA / KCl凝胶电解质中)。将多合一可拉伸MSCA与可折叠的Au基摩擦纳米发电机和可拉伸的可折叠石墨烯基应变传感器集成在一起,证明了一种自供电的可拉伸系统。电子材料和设备架构的耦合设计原理提供了一种有前途的方法,可以为未来的生物集成电子产品开发高性能的可穿戴/可拉伸储能设备和自供电可拉伸系统。
 
  程焕宇教授解释说,岛桥设计能够实现可调的电压输出,并允许该系统"可逆地拉伸至100%"。
 
  通过使用非分层的超薄锌磷纳米片和3D激光诱导的石墨烯泡沫(高度多孔的自热纳米材料)进行电池设计,研究小组发现电导率和导电性均得到了"显着改善"。吸收的带电离子数。
 
  据说研究人员还将该系统与摩擦电纳米发电机相集成,该技术是将机械运动转换为电能的新兴技术。
 
  "当我们拥有基于摩擦电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,例如弯曲您的肘部或呼吸和说话," 程焕宇教授说。"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,程焕宇教授说,这表明该系统为可穿戴,可拉伸设备供电的潜力。
 
  该项目由中国国家自然科学基金;福建省青年教育委员会;美国国家科学基金会等资金支持;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。
 
 
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