自供电可穿戴技术

自供电可穿戴技术

对于新兴的可穿戴技术的发展,它需要改进的电源。现在,密歇根州立大学的研究人员已经通过弯曲的碳纳米管森林(cnt森林)提供了一种潜在的解决方案。

密歇根州立大学软机械和电子实验室主任曹长勇率领一个科学家团队,为可穿戴电子设备提供高伸缩超级电容器。新开发的超级电容器已经证明了其稳定的性能和稳定性,即使它在数千次伸展/放松循环中被拉伸到原始尺寸的800%。

研究小组的研究结果发表在《先进能源材料》杂志上,可能会推动新型可伸缩能源电子系统、植入式生物医学设备以及智能包装系统的发展。

密歇根州立大学包装学院助理教授曹说:“成功的关键是创新的方法将垂直排列的碳纳米管阵列(cnt-forest)揉成一团。”“在制造过程中,我们的设计没有严格限制扁平薄膜,而是使三维互连的CNT林保持良好的导电性,使其更高效、可靠和坚固。”

大多数人知道穿戴式技术的基本形式是与智能手机通信的iWatches。在这个例子中,这是两个需要电池的技术。现在想象一下,烧伤受害者的智能皮肤可以在给自己供电的同时监测愈合情况——这就是曹的发明可以创造的未来。

在医学领域,可拉伸/可穿戴电子产品正在开发中,它们能够产生极端的扭曲,并且能够适应复杂、不均匀的表面。在未来,这些创新可以整合到生物组织和器官中,以检测疾病、监测改善情况,甚至与医生沟通。

然而,令人烦恼的问题一直是一个互补的可穿戴电源——一个持久耐用的电源。为什么要开发新的酷炫补丁,如果它们需要消耗体积庞大的电池组,这些电池组会变热并需要充电?(这很极端,但你明白了。)

曹的发现是第一个将皱巴巴的站立碳纳米管用于可伸缩的储能应用,这些碳纳米管像树一样生长,其树冠缠绕在晶片上。然而,这片森林只有10-30微米高。在转移和褶皱之后,CNT森林形成了令人印象深刻的可伸展模式,就像一个毯子。3D互连CNT森林具有更大的表面积,可以很容易地用纳米颗粒进行修改或适应其他设计。

曹教授同时也是机械工程、电气和计算机工程的助理教授,他说:“它更强大,这是一个真正的设计突破。”“即使沿着每个方向伸展到300%,它仍能有效传导。其他的设计会失去效率,通常只能向一个方向延伸,或者当延伸到更低的水平时会完全失效。”

就其收集和储存能量的能力而言,曹氏皱巴巴的纳米森林优于现有的大多数基于CNT的超级电容器。尽管最先进的技术可以经受数千次伸展/放松循环,但仍有改进的空间。

金属氧化物纳米粒子可以很容易地浸渍到起皱的CNT中,因此本发明的效率提高了很多。曹补充说,新发明的方法应该会激发自供电可伸缩电子系统的进步。

参与这项研究的联合作者包括:杜克大学的周一浩、杰弗里·格拉斯、亨利和帕克;美国海军研究实验室的史蒂芬·乌布诺斯克;华中科技大学(中国)的曾建峰;麻省理工学院的曹云腾。

这项研究部分是由美国农业部和国家科学基金会资助的。

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