伸縮性マイクロスーパーキャパシタ：自己給電型ウェアラブル健康デバイスの未来

ウェアラブルおよび伸縮性のある健康モニタリング・診断デバイスを駆動する現在のバッテリーおよびスーパーキャパシタには、エネルギー密度が低い、伸縮性が限られるなど多くの短所があります。

バッテリーの代替として、マイクロスーパーキャパシタはウェアラブルデバイスでリチウムイオン電池を補完または置き換えるエネルギー貯蔵デバイスです。マイクロスーパーキャパシタはフットプリントが小さく、高い電力密度を持ち、急速な充放電が可能です。しかし、ウェアラブルデバイス向けに製造される従来のマイクロスーパーキャパシタは、「サンドイッチ型」の積層構造をとるため、柔軟性が乏しく、イオン拡散距離が長く、ウェアラブルエレクトロニクスと組み合わせる際の統合プロセスが複雑です。

研究者たちは、マイクロスーパーキャパシタのウェアラブルデバイスへの活用を前進させるため、代替デバイスアーキテクチャと統合プロセスを開発しました。マイクロスーパーキャパシタセルを蛇行するアイランドブリッジレイアウトに配置することで、ブリッジ部分で伸縮・曲げが可能になり、アイランドであるマイクロスーパーキャパシタ自体の変形を低減できることがわかりました。これらを組み合わせることで、研究者たちが「マイクロスーパーキャパシタアレイ」と呼ぶ構造になります。セル接続にアイランドブリッジ設計を用いることで、マイクロスーパーキャパシタアレイは伸縮性が向上し、調整可能な電圧出力を実現し、システムを最大100%まで可逆的に伸縮できるようになりました。

非層状、超薄型、リン酸亜鉛ナノシートと3Dレーザー誘起グラフェンフォーム（高多孔性、自己発熱性ナノ材料）を用いてセルのアイランドブリッジ設計を構築することで、チームは電気伝導度と吸着電荷イオン数の劇的な向上を確認しました。これにより、これらのマイクロスーパーキャパシタアレイが効率的に充放電し、ウェアラブルデバイスを駆動するのに必要なエネルギーを貯蔵できることが証明されました。

研究者たちはまた、機械的動きを電気エネルギーに変換する新興技術である摩擦帯電ナノジェネレーターとシステムを統合しました。この組み合わせにより自己給電システムが実現しました。摩擦帯電ナノジェネレーターに基づくワイヤレス充電モジュールにより、肘を曲げる、呼吸する、話すといった動作からエネルギーを収集できます。

この統合システムをグラフェンベースの歪みセンサーと組み合わせることで、摩擦帯電ナノジェネレーターで充電されたエネルギー貯蔵マイクロスーパーキャパシタアレイがセンサーを駆動できるようになります。

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