Micro-supercondensateurs extensibles : l'avenir des dispositifs de santé portables auto-alimentés

Les versions actuelles des batteries et supercondensateurs alimentant les dispositifs de surveillance et de diagnostic de santé portables et extensibles présentent de nombreux inconvénients, notamment une faible densité d'énergie et une extensibilité limitée.

Une alternative aux batteries, les micro-supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie qui peuvent compléter ou remplacer les batteries lithium-ion dans les appareils portables. Les micro-supercondensateurs ont une faible emprise, une haute densité de puissance et la capacité de se charger et se décharger rapidement ; cependant, lorsqu'ils sont fabriqués pour les appareils portables, les micro-supercondensateurs conventionnels ont une géométrie empilée « en sandwich » qui présente une mauvaise flexibilité, de longues distances de diffusion ionique et un processus d'intégration complexe lorsqu'ils sont combinés avec l'électronique portable.

Les chercheurs ont développé des architectures de dispositifs alternatives et des processus d'intégration pour faire progresser l'utilisation des micro-supercondensateurs dans les appareils portables. Ils ont découvert que disposer les cellules de micro-supercondensateurs dans une disposition serpentine, en îlots-ponts, permet à la configuration de s'étirer et de se plier au niveau des ponts, tout en réduisant la déformation des micro-supercondensateurs — les îlots. Combinés, la structure devient ce que les chercheurs appellent des réseaux de micro-supercondensateurs. En utilisant un design îlot-pont pour connecter les cellules, les réseaux de micro-supercondensateurs ont affiché une extensibilité accrue et permis des tensions de sortie ajustables, permettant au système d'être étiré de manière réversible jusqu'à 100 %.

En utilisant des nanosheets de zinc-phosphore non stratifiés, ultraminces, et de la mousse de graphène 3D induite par laser — un nano-matériau hautement poreux et auto-chauffant — pour construire le design îlot-pont des cellules, l'équipe a observé des améliorations drastiques de la conductivité électrique et du nombre d'ions chargés absorbés. Cela a prouvé que ces réseaux de micro-supercondensateurs peuvent se charger et se décharger efficacement et stocker l'énergie nécessaire pour alimenter un dispositif portable.

Les chercheurs ont également intégré le système avec un nanogénérateur triboélectrique — une technologie émergente qui convertit le mouvement mécanique en énergie électrique. Cette combinaison a créé un système auto-alimenté. Avec le module de charge sans fil basé sur le nanogénérateur triboélectrique, l'énergie peut être récoltée en fonction de mouvements tels que plier le coude, respirer et parler.

En combinant ce système intégré avec un capteur de contrainte à base de graphène, les réseaux de micro-supercondensateurs stockant l'énergie — chargés par les nanogénérateurs triboélectriques — sont capables d'alimenter le capteur.