Micro-supercapacitores Elásticos: O Futuro de Dispositivos Vestíveis de Saúde Autoalimentados

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

Uma alternativa às baterias, micro-supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia que podem complementar ou substituir baterias de íon-lítio em dispositivos vestíveis. Micro-supercapacitores têm uma pegada pequena, alta densidade de potência e a capacidade de carregar e descarregar rapidamente; no entanto, quando fabricados para dispositivos vestíveis, micro-supercapacitores convencionais têm uma geometria empilhada "tipo sanduíche" que exibe pouca flexibilidade, longas distâncias de difusão de íons e um processo de integração complexo quando combinados com eletrônica vestível.

Pesquisadores desenvolveram arquiteturas alternativas de dispositivos e processos de integração para avançar o uso de micro-supercapacitores em dispositivos vestíveis. Eles descobriram que organizar células de micro-supercapacitores em um layout serpentino, de ilha-ponte, permite que a configuração estique e dobre nas pontes, enquanto reduz a deformação dos micro-supercapacitores — as ilhas. Quando combinados, a estrutura torna-se o que os pesquisadores chamam de arranjos de micro-supercapacitores. Ao usar um design de ilha-ponte ao conectar células, os arranjos de micro-supercapacitores exibiram elasticidade aumentada e permitiram saídas de tensão ajustáveis, permitindo que o sistema seja esticado reversivelmente até 100%.

Ao usar nanofolhas de zinco-fósforo não em camadas, ultrfinas, e espuma de grafeno induzida a laser 3D — um nanomaterial altamente poroso e autoaquecido — para construir o design de ilha-ponte das células, a equipe viu melhorias drásticas na condutividade elétrica e no número de íons carregados absorvidos. Isso provou que esses arranjos de micro-supercapacitores podem carregar e descarregar eficientemente 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. Esta combinação criou um sistema autoalimentado. Com o módulo de carregamento sem fio baseado no nanogerador triboelétrico, a energia pode ser colhida com base em movimentos como dobrar o cotovelo, respirar e falar.

Ao combinar este sistema integrado com um sensor de deformação baseado em grafeno, os arranjos de micro-supercapacitores armazenadores de energia — carregados pelos nanogeradores triboelétricos — são capazes de alimentar o sensor.