由賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系教授Huanyu "Larry" Cheng領導的一個國際研究小組開發了一個用於可穿戴式健康監測設備的可拉伸系統，能夠從人類呼吸和運動中收集能量。該研究團隊的成員來自賓夕法尼亞州立大學和中國的閩江學院和南京大學，其成果近日發表在《Nano Energy》上。
目前可穿戴健康監測和診斷設備使用的電池或超級電容器存在能量密度低和可拉伸性有限的問題。作為電池的替代品，微型超級電容器是一種儲能設備，可以補充或替代可穿戴設備中的鋰離子電池。微型超級電容器具有體積小、功率密度高、快速充放電的能力。然而，在用於可穿戴設備時，傳統的微型超級電容器具有的 "三明治式 "堆疊幾何形狀，表現出靈活性差、離子擴散距離長和集成過程複雜的問題。
Cheng和他的團隊研究微型超級電容器的架構和集成工藝，以推進其在可穿戴設備中的應用。他們發現，將微型超級電容器單元以蛇形、島橋布局的方式排列，可以使配置在橋上拉伸和彎曲，同時減少微型超級電容器變形。當組合在一起時，這種結構就變成了研究人員所說的 "微型超級電容器陣列"。
"通過在連接電池時使用島橋設計，微型超級電容器陣列顯示出更高的可伸展性，並允許可調電壓輸出，"Cheng說。"這使得系統可以可逆地拉伸到100%。"
通過使用非層狀超薄鋅磷納米片和3D雷射誘導石墨烯泡沫來構建電池的島橋設計，Cheng和他的團隊看到了電導率和吸收的帶電離子數量的大幅改善。這證明了這些微型超級電容器陣列可以有效地充電和放電，並存儲為可穿戴設備供電所需的能量。
研究人員還將該系統與摩擦電納米發電機整合在一起，摩擦電納米發電機是一種將機械運動轉化為電能的新興技術。這種組合創造了一個自供電系統。
"當我們擁有這個基於摩擦電納米發電機的無線充電模塊時，我們可以根據運動收集能量，例如彎曲肘部或呼吸和說話，"Cheng說。"我們能夠利用這些人類的日常運動來為微型超級電容器充電。"
通過將這一集成系統與基於石墨烯的應變傳感器相結合，儲能的微型超級電容器陣列能夠為傳感器供電，顯示了這一系統為可穿戴、可拉伸設備供電的潛力。
論文標題為《High-energy all-in-one stretchable micro-supercapacitor arrays based on 3D laser-induced graphene foams decorated with mesoporous ZnP nanosheets for self-powered stretchable systems》。