Dispositivos vestíveis com micro-supercapacitores extensíveis

As versões atuais de baterias e supercapacitores que alimentam dispositivos de diagnóstico e monitoramento de saúde vestíveis e elásticos têm muitas deficiências, incluindo baixa densidade de energia e elasticidade limitada.

Uma alternativa às baterias, os microssupercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia que podem complementar ou substituir as baterias de íons de lítio em dispositivos vestíveis. Os microssupercapacitores ocupam pouco espaço, alta densidade de potência e capacidade de carregar e descarregar rapidamente; no entanto, quando fabricados para dispositivos vestíveis, os microssupercapacitores convencionais têm uma geometria empilhada tipo “sanduíche” que apresenta pouca flexibilidade, longas distâncias de difusão de íons e um processo de integração complexo quando combinados com eletrônicos vestíveis.

Os pesquisadores desenvolveram arquiteturas alternativas de dispositivos e processos de integração para avançar no uso de micro-supercapacitores em dispositivos vestíveis. Eles descobriram que organizar células de micro-supercapacitores em um layout de ponte serpentina e ilha permite que a configuração se estique e dobre nas pontes, reduzindo a deformação dos micro-supercapacitores - as ilhas. Quando combinada, a estrutura se torna o que os pesquisadores chamam de matrizes de micro-supercapacitores. Ao usar um projeto de ponte de ilha ao conectar células, as matrizes de microssupercapacitores exibiram maior elasticidade e permitiram saídas de tensão ajustáveis, permitindo que o sistema fosse reversivelmente esticado até 100%.

Ao usar nanofolhas de zinco-fósforo ultrafinas sem camadas e espuma de grafeno induzida por laser 3D - um nanomaterial altamente poroso e auto-aquecido - para construir o design de ponte de ilha das células, a equipe viu melhorias drásticas na condutividade elétrica e o número de íons carregados absorvidos. Isso provou que essas matrizes de micro-supercapacitores podem carregar e descarregar com eficiência e armazenar a energia necessária para alimentar um dispositivo vestível.

Os pesquisadores também integraram o sistema com um nanogerador triboelétrico – uma tecnologia emergente que converte movimento mecânico em energia elétrica. Essa combinação criou um sistema autoalimentado. Com o módulo de carregamento sem fio baseado no nanogerador triboelétrico, a energia pode ser coletada com base em movimentos, como dobrar o cotovelo, respirar e falar.

Ao combinar este sistema integrado com um sensor de deformação baseado em grafeno, as matrizes de micro-supercapacitores de armazenamento de energia – carregadas pelos nanogeradores triboelétricos – são capazes de alimentar o sensor.