طرحی نو؛

نفس بکشید تا ابرخازن‌ها را شارژ کنید / میکروابرخازن‌های ارتقا یافته در دستگاه‌های پوشیدنی

با طراحی میکروابرخازن‌های جدید توسط محققان استفاده از باتری‌های لیتیومی در دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی از بین خواهد رفت.

کد خبر: ۸۹۷۱۲۱

يکشنبه - ۲۳ آذر ۱۳۹۹ / December 13, 2020

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری دانشجو، گروهی بین‌المللی از محققان به سرپرستی هوانیو چنگ از دپارتمان علوم مهندسی و مکانیک ایالت پن سیستم کشسانی را طراحی کرده‌اند که می‌تواند از تنفس و حرکات انسان در دستگاه‌های ناظر بر سلامتی پوشیدنی استفاده شود.

به گفته این محققان نسخه‌های موجود باتری‌ها و ابرخازن‌ها که نیروی لازم برای دستگاه‌های تشخیص و ناظر بر سلامتی کشسان و پوشیدنی را فراهم می‌کنند، دارای نواقصی از جمله ظرفیت پایین انرژی و کشسانی کم هستند.

چنگ گفت: «کار ما با مطالعات قبلی متفاوت است. وقتی روی سنسور‌های گازی و دیگر دستگاه‌های پوشیدنی کار می‌کنیم، نیاز داریم تا این دستگاه‌ها را با باتری برای نیروبخشی، ترکیب کنیم. استفاده از میکروابرخازن‌ها برای ما توانایی خودنیروبخشی سنسورها، بدون نیاز به باتری را فراهم می‌کند.»

به عنوان جایگزین برای باتری‌ها، میکروابرخازن‌ها دستگاه‌های ذخیره انرژی هستند که می‌توانند در دستگاه‌های پوشیدنی جایگزین باتری‌های یون-لیتیومی شوند. میکروابرخازن‌ها چگالی نیروی بالایی دارند و می‌توانند سریعا شارژ و تخلیه شوند. با این حال، به گفته چنگ، وقتی برای دستگاه‌های پوشیدنی ساخته می‌شوند، میکروابرخازن‌های عادی معمولا دارای هندسه فشرده‌ی «ساندویچی» هستند که چنین ساختاری انعطاف‌پذیری ضعیف، فاصله انتشار یونی طولانی و یک فرایند همبستگی پیچیده هنگام ترکیب با الکترونیک‌های پوشیدنی نشان می‌دهند.

این موضوع باعث شد چنگ و گروهش ساختار‌های دستگاهی جایگزین و فرایند‌های یکپارچه‌سازی را کشف کنند تا استفاده از میکروابرخازن‌ها را در دستگاه‌های پوشیدنی ارتقا دهند. آن‌ها یافتند که آرایش سلول‌های میکروابرخازن در یک طرح مارپیچ و پل جزیره-ای به پیکربندی اجازه می‌دهد تا در پل کشیده و خم شوند، درحالیکه تغییر شکل میکروابرخازن‌ها را کاهش می‌دهند. با استفاده از این طراحی میکروابرخازن‌ها در کشسانی افزایش نشان داده و اجازه می‌هند تا خروجی‌های ولتاژ تنظیم شود. این ساختار می‌تواند تا ۱۰۰ درصد به ابرخازن‌ها کشسانی بدهد.

با استفاده از نانوورقه‌های فوق نازک و غیرلایه‌ای فسفات روی و گرافن‌های سه‌بعدی برای طراحی پل جزیره‌ای، چنگ و همکارانش پیشرفت قابل‌ملاحظه‌ای در هدایت الکتریکی و تعدا یون‌های باردار جذب شده مشاهده کردند. این ثابت کرد که این آرایه‌های میکروابرخازن می‌توانند به طور موثر شارژ و تخلیه شوند و انرژی مورد نیاز یک وسیله پوشیدنی را ذخیره کنند.

سپس محققان این سیستم را با یک نانوژنراتور تریبوالکتریک ادغام کردند. این ادغام باعث تولید سیستمی شد که خود، نیروی مورد نیاز خود را تامین می‌کند. چنگ گفت: «وقتی ما این ماژول شارژ بی‌سیم را داریم، می‌توانیم براساس حرکاتی مانند خم شدن آرنج، نفس کشیدن یا صحبت کردن انرژی برداشت کنیم. حتی می‌توانیم از این حرکات کوتاه برای شارژکردن میکروابرخازن‌ها نیز استفاده کنیم.»