Эластичные суперконденсаторы для питания носимых устройств завтрашнего дня

Исследователи из Университета Дьюка и Университета штата Мичиган разработали новый тип суперконденсатора, который остается полностью функциональным, даже если его размер в восемь раз превышает его первоначальный размер. Он не подвержен износу от многократного растяжения и теряет лишь несколько процентных пунктов энергетической эффективности после 10000 циклов зарядки и разрядки.

Исследователи предполагают, что суперконденсатор является частью независимой от энергии, растягиваемой, гибкой электронной системы для таких приложений, как носимая электроника или биомедицинские устройства.

Результаты появятся в сети 19 марта в Иметь значение, журнал от Cell Press. В исследовательскую группу входят старший автор Чанъюн Цао, доцент кафедры упаковки, машиностроения, электротехники и вычислительной техники в Университете штата Мичиган (MSU), и старший писатель Джефф Гласс, профессор электротехники и вычислительной техники в Duke. Их соавторами являются докторанты Yihao Zhou и Qiwei Han и ученый Чарльз Паркер из Duke, а также аспирант Yunteng Cao из Массачусетского технологического института.

«Наша цель. разработать инновационные устройства, способные выдерживать такие механические деформации, как растяжение, скручивание или изгиб, без потери производительности». сказал Цао, директор лаборатории мягких машин и электроники в МГУ. «Но если источник питания растягиваемого электронного устройства не растягивается, то вся система устройства будет ограничена не растягиваемой».

Суперконденсатор (также иногда называемый ультраконденсатором) накапливает энергию как батарея, но с некоторыми важными отличиями. В отличие от батарей, которые химически накапливают энергию и генерируют заряды посредством химических реакций, электростатический двухслойный суперконденсатор (EDLSC) накапливает энергию посредством разделения зарядов и не может создавать свое собственное электричество. Он должен быть заряжен от внешнего источника. Во время зарядки электроны накапливаются в одной части устройства и удаляются из другой, поэтому при соединении двух сторон электричество быстро течет между ними.

Читайте также

Кроме того, в отличие от аккумуляторов, суперконденсаторы способны разряжать свою энергию короткими, но мощными импульсами, а не посредством длинных медленных струй. Они также могут заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем аккумулятор, и выдерживать гораздо больше циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторная батарея. Это делает их идеальными для коротких и мощных приложений, таких как отключение вспышки в камере или усилителей в стерео.

Но большинство суперконденсаторов такие же твердые и хрупкие, как и любой другой компонент на печатной плате. Вот почему Cao и Glass потратили годы, работая над растягивающейся версией.

В своей новой статье исследователи демонстрируют кульминацию своей работы на этом этапе, изготовляя суперконденсатор размером с марку, который может нести более двух вольт. При соединении четырех вместе, так как для батарей типа АА или ААА требуется много устройств, суперконденсаторы могут питать двухвольтовые часы Casio в течение полутора часов.

Чтобы создать растягиваемые суперконденсаторы, Гласс и его исследовательская группа сначала выращивают лес из углеродных нанотрубок. участок из миллионов нанотрубок диаметром всего 15 нанометров и высотой 20-30 микрометров. поверх кремниевой пластины. Это примерно ширина самых маленьких бактерий и высота животной клетки, которую он заражает.

Затем исследователи нанесли тонкий слой золотой нанопленки поверх леса с углеродными нанотрубками. Слой золота действует как своего рода электрический коллектор, снижая сопротивление устройства на порядок ниже предыдущих версий, что позволяет устройству заряжаться и разряжаться намного быстрее.

Затем стекло передает технологический процесс Цао, который переносит лес из углеродных нанотрубок на предварительно растянутый эластомерный субстрат с основой из золота стороной вниз. Заполненный гелем электрод затем расслабляется, чтобы позволить предварительному напряжению освободиться, в результате чего он сжимается до четверти своего первоначального размера. Этот процесс сминает тонкий слой золота и разбивает «деревья» в лесу углеродных нанотрубок.

Читайте также

  • Лицензирование HMD для бренда Nokia только что завершило трансляцию виртуальной конференции, на которой были представлены ее новые продукты и услуги. Да, услуги. Потому что кроме телефонов Nokia 8.3 5G, Nokia 5.3, Nokia 1.3 и Nokia 5310 нам показали....
  • Seasonic Connect. это первый блок питания с объединительной панелью.Наш вердиктВысокопроизводительный блок питания в сочетании с объединительной панелью, позволяющий использовать более короткие кабели, упростить установку и увеличить поток воздуха. У...
  • Amazon's Freedom Sale принесет скидки и комплексные предложения на сотни популярных продуктов. Акции Amazon Freedom Sale будут включать скидки на популярные смартфоны Распродажа начнется с 7 августа для членов Prime. Распродажа Amazon продлится до 11...
  • Разборка наружного аккума Xiaomi Mi Power Bank 2CСовершенно не так давно на собственном сайте Xiaomi появился новый наружный аккумулятор Mi Power Bank 2C, ценой 129 юаней (приблизительно 1100 русских рублей). Нареченное разработчиками «Сяоми мо...
  • Хорошо известно, что ни фильмы MKV, ни AVI нельзя просматривать на смартфоне или планшете Apple. Мы уже писали о том, какие форматы видео поддерживают iPhone и iPad. В той же статье, в качестве решения проблемы отсутствия поддержки популярных формато...
  • Настройка модема Укртелеком и настройка модема работая в режиме роутера ОГОНастройка модема «Укртелеком» проходит в несколько обычных шагов. Что остается сделать нашему клиенту шаги, которые требуется пройти для корректной работы веба ОГО...

«Мятость значительно увеличивает доступную площадь поверхности в небольшом пространстве, что увеличивает количество заряда, которое она может удерживать». объясняет Гласс. «Если бы у нас была вся комната в мире для работы, плоская поверхность работала бы хорошо. Но если мы хотим суперконденсатор, который можно использовать в реальных устройствах, нам нужно сделать его как можно меньше».

Затем сверхплотный лес заполняется гелевым электролитом, который может улавливать электроны на поверхности нанотрубок. Когда два из этих конечных электродов находятся в тесном контакте друг с другом, приложенное напряжение нагружает одну сторону электронами, в то время как другая дренируется, создавая заряженный сверхрастяжимый суперконденсатор.

«Нам еще предстоит проделать определенную работу по созданию полностью растягиваемой электронной системы». сказал Цао. «Суперконденсатор, продемонстрированный в этой статье, не идет так далеко, как хотелось бы. Но благодаря этому основанию надежного растягивающегося суперконденсатора мы сможем интегрировать его в систему, состоящую из растягиваемых проводов, датчиков и детекторов для создавать полностью растягиваемые устройства. "

Исследователи объясняют, что растягиваемые суперконденсаторы могут самостоятельно приводить в действие некоторые футуристические устройства или могут быть объединены с другими компонентами для преодоления инженерных задач. Например, суперконденсаторы можно заряжать в течение нескольких секунд, а затем медленно заряжать аккумулятор, который выступает в качестве основного источника энергии для устройства. Этот подход использовался для регенеративного разрушения в гибридных автомобилях, где энергия генерируется быстрее, чем она может быть сохранена. Суперконденсаторы повышают эффективность всей системы. Или, как уже продемонстрировала Япония, суперконденсаторы могут питать автобус для городских поездок, выполняя полную зарядку на каждой остановке за короткое время, необходимое для загрузки и разгрузки пассажиров.

Эластичные суперконденсаторы для питания носимых устройств завтрашнего дня

«Многие люди хотят соединить суперконденсаторы и батареи вместе. сказал Гласс. «Суперконденсатор может быстро заряжаться и выдерживать тысячи или даже миллионы циклов зарядки, в то время как аккумуляторы могут накапливать больше заряда, чтобы они могли работать долго. Соединение их дает вам лучшее из обоих миров. Они выполняют две разные функции в одном и том же электрическом система «.