Microsupercondensadores estirables para alimentar dispositivos ponibles

Según un equipo internacional de investigadores, dirigido por Huanyu "Larry" Cheng, profesor de desarrollo profesional en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica de la universidad Penn State, sería viable un sistema estirable que pueda recoger la energía de la respiración y el movimiento humanos para utilizarla en dispositivos de control de la salud que se puedan llevar puestos.

El equipo de investigación, con miembros de la Universidad de Penn State y de la Universidad de Minjiang y la Universidad de Nanjing, ambas en China, publicó recientemente sus resultados en la revista Nano Energy.

Según Cheng, las versiones actuales de baterías y supercondensadores que alimentan dispositivos de control y diagnóstico de la salud que se pueden llevar y estirar tienen muchas deficiencias, entre ellas la baja densidad de energía y la limitada capacidad de estiramiento.

"Esto es algo bastante diferente de en lo que hemos trabajado antes, pero es una parte vital de la ecuación", dijo Cheng, señalando que su grupo de investigación y sus colaboradores suelen centrarse en el desarrollo de sensores para dispositivos portátiles. "Mientras trabajamos en los sensores de gas y otros dispositivos vestibles, siempre tenemos que combinar estos dispositivos con una batería para su alimentación. El uso de microsupercondensadores nos da la capacidad de auto-alimentar el sensor sin necesidad de una batería".

Actuando como alternativa a las baterías, los microsupercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía que pueden complementar o reemplazar las baterías de iones de litio en los dispositivos que se pueden llevar puestos. Los microsupercondensadores tienen una huella pequeña, una alta densidad de potencia y la capacidad de cargarse y descargarse rápidamente. Sin embargo, según Cheng, cuando se fabrican para dispositivos que se pueden llevar puestos, los microsupercondensadores convencionales tienen una geometría apilada, "como un sándwich", que muestra una flexibilidad pobre, largas distancias de difusión de iones y un proceso de integración complejo cuando se combinan con dispositivos electrónicos que se pueden llevar puestos.

Sistema estirable basado en microsupercondensadores. (Foto: Penn State College of Engineering)

Esto llevó a Cheng y su equipo a explorar arquitecturas de dispositivos alternativos y procesos de integración para avanzar en el uso de microsupercondensadores en dispositivos ponibles. Descubrieron que disponer las células de microsupercondensadores en un esquema en forma de serpentín, y también isla-puente, permite que la configuración se estire y se doble en los puentes, mientras se reduce la deformación de los microsupercondensadores (las islas). Cuando se combinan, la estructura se convierte en lo que los investigadores denominan "arreglos de microsupercondensadores".

"Al usar un diseño de isla-puente al conectar las celdas, los arreglos de microsupercondensadores mostraron una mayor capacidad de estiramiento y permitieron salidas de voltaje ajustables", dijo Cheng. "Esto permite que el sistema pueda estirarse de forma reversible hasta un 100%".

Utilizando nano láminas ultrafinas de zinc-fósforo sin capas y espuma de grafeno 3D inducida por láser - un nanomaterial altamente poroso y auto-calentable - para construir el diseño de las células de isla-puente, Cheng y su equipo vieron mejoras drásticas en la conductividad eléctrica y en el número de iones cargados absorbidos. Esto demostró que estos conjuntos de microsupercondensadores pueden cargar y descargar eficientemente y almacenar la energía necesaria para alimentar un dispositivo portátil.

Los investigadores también integraron el sistema con un nanogenerador triboeléctrico, una tecnología emergente que convierte el movimiento mecánico en energía eléctrica. Esta combinación creó un sistema autoalimentado.

"Cuando tenemos este módulo de carga inalámbrico basado en el nanogenerador triboeléctrico, podemos recolectar energía basada en el movimiento, como doblar el codo o respirar y hablar", dijo Cheng. "Somos capaces de usar estos movimientos humanos cotidianos para cargar los microsupercondensadores".

Al combinar este sistema integrado con un sensor de tensión basado en grafeno, los conjuntos de microsupercondensadores de almacenamiento de energía - cargados por los nanogeneradores triboeléctricos - son capaces de alimentar el sensor, dijo Cheng, mostrando el potencial de este sistema para alimentar dispositivos que se pueden llevar puestos y que se pueden estirar. (Fuente: NCYT Amazings)