Perangkat Micro-Superkapasitor Self-Power Wearable yang Dapat Diregangkan

Versi terbaru dari baterai dan superkapasitor yang memberi daya pada perangkat pemantauan kesehatan dan diagnostik yang dapat dikenakan dan dapat diregangkan memiliki banyak kekurangan termasuk kepadatan energi yang rendah dan daya regangan yang terbatas.

Sebuah alternatif untuk baterai, mikro-superkapasitor adalah perangkat penyimpanan energi yang dapat melengkapi atau menggantikan baterai lithium-ion dalam perangkat yang dapat dipakai. Micro-supercapacitors memiliki footprint kecil, kepadatan daya tinggi, dan kemampuan untuk mengisi dan melepaskan dengan cepat; namun, ketika dibuat untuk perangkat yang dapat dikenakan, mikro-superkapasitor konvensional memiliki geometri bertumpuk “seperti sandwich” yang menampilkan fleksibilitas yang buruk, jarak difusi ion yang panjang, dan proses integrasi yang kompleks bila dikombinasikan dengan elektronik yang dapat dikenakan.

Para peneliti mengembangkan arsitektur perangkat alternatif dan proses integrasi untuk memajukan penggunaan mikro-super-kapasitor dalam perangkat yang dapat dikenakan. Mereka menemukan bahwa mengatur sel-sel mikro-superkapasitor dalam tata letak jembatan pulau yang berbelit-belit memungkinkan konfigurasi untuk meregangkan dan menekuk di jembatan, sekaligus mengurangi deformasi superkapasitor mikro — pulau-pulau. Ketika digabungkan, struktur tersebut menjadi apa yang oleh para peneliti disebut sebagai susunan mikro-superkapasitor. Dengan menggunakan desain jembatan pulau saat menghubungkan sel, susunan mikro-superkapasitor menunjukkan peningkatan daya regangan dan memungkinkan output tegangan yang dapat disesuaikan, memungkinkan sistem untuk diregangkan secara reversibel hingga 100%.

Dengan menggunakan nanosheet seng-fosfor yang tidak berlapis, sangat tipis, dan busa graphene yang diinduksi laser 3D — bahan nano yang sangat berpori dan dapat memanaskan sendiri — untuk membangun desain jembatan pulau sel, tim melihat peningkatan drastis dalam konduktivitas listrik dan jumlah ion bermuatan yang diserap. Ini membuktikan bahwa susunan mikro-superkapasitor ini dapat mengisi dan mengeluarkan daya secara efisien dan menyimpan energi yang dibutuhkan untuk memberi daya pada perangkat yang dapat dikenakan.

Para peneliti juga mengintegrasikan sistem dengan nanogenerator triboelectric — teknologi baru yang mengubah gerakan mekanis menjadi energi listrik. Kombinasi ini menciptakan sistem self-powered. Dengan modul pengisian daya nirkabel yang didasarkan pada pembangkit listrik nano triboelektrik, energi dapat dikumpulkan berdasarkan gerakan seperti menekuk siku, bernapas, dan berbicara.

Dengan menggabungkan sistem terintegrasi ini dengan sensor regangan berbasis graphene, susunan mikro-superkapasitor penyimpan energi — diisi oleh generator nano triboelektrik — mampu memberi daya pada sensor.