石墨烯助力可穿戴设备实现稳定自供电

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）随着人们生活水平的提高，以及科学技术的进步，可穿戴设备也得到了快速发展，智能手表/手环、VR/AR、智能眼镜等设备的市场规模逐年扩大。
 
而可穿戴设备实现创新发展的关键就是传感器，包括运动型传感器、生物型传感器和环境传感器等。根据IDC公布的数据显示，2020年全球可穿戴设备的出货量达到3.96亿台，到2024年将达到6.371亿台，五年的复合年增长率(CAGR)为12.4%。快速增长的设备将对可穿戴传感器起到极大的带动作用。
 
从发展趋势上来看，一方面可穿戴设备越来越追求智能化，传统消费电子的智能化功能，以及一些新增的和医疗相关的智能化功能，都被集成到可穿戴设备中；另一方面，更加人性化也是一些具备医疗功能的可穿戴设备要持续优化的产品性能，柔性和无创是其中的代表。
 
研究人员一直都在致力于研发出更先进的传感器，让可穿戴设备具有更人性化的功能。比如美国宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学系的Dorothy Quiggle职业发展助理教授Larry Cheng，通过制造新型可穿戴传感器，改善了健康监测。
 
在其研发的一系列可穿戴传感器中，其中有一项是利用石墨烯材料打造自供电可拉伸健康监测仪，这项研究在年初还登上了Applied Physics Review期刊。
 
Larry Cheng表示，尽管用于可拉伸能量收集器的自充电电源装置已经存在，但它们的制造成本昂贵、携带沉重，而且“输出功率低且不稳定”。
 
目前一些可拉伸的导体、半导体材料与器件，以及自愈合材料和生物相容材料已广泛应用于电子皮肤物理传感平台，很多相关的研究都是采用纳米材料和MEMS工艺融合。这些纳米材料包括碳纳米管、石墨烯等。
 
石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。
 
Larry Cheng团队基于多孔石墨烯泡沫材料打造了一款自供电可拉伸健康监测仪，Larry Cheng指出，“在监测各种信号的同时，该自供电传感器以一种封闭的反馈回路从身体运动中收集能量。”解决了他此前一直提到的行业痛点——输出功率低且不稳定。
 
不过，关注Larry Cheng团队研究进程，以及可穿戴传感器发展的业者应该也清楚，该团队这项技术并非是近来的新突破。实际上，在去年宾夕法尼亚州立大学官网就曾专门报道过这项研究，并给出了很多技术细节。
 
根据当时的报道，Larry Cheng团队是通过使用非层状超薄磷化锌纳米片以及3D激光诱导石墨烯泡沫来构建单元的岛桥设计，不仅实现了高效的充放电，而且让微型超级电容阵列具有了更好的拉伸性。

 

图源：宾夕法尼亚州立大学官网

微型超级电容阵列是Larry Cheng团队实现自供电可穿戴设备的关键。由于储能和释放不存在化学反应，充放电次数可达十万次以上的超级电容在自供电领域被寄予厚望，很多应用都希望能够借助超级电容取代传统的锂电池供电。
 
不过，传统的微型超级电容具有的“三明治式”的堆叠几何形状，不能够直接用于可穿戴设备，尤其是柔性可穿戴设备上，会出现柔韧性差、离子扩散距离长以及集成复杂等问题。
 
按照Larry Cheng的描述，他们团队的做法是采用了全新的设备架构和集成工艺，用蛇形、岛桥布局的方式解决了微型超级电容拉伸和弯曲的问题，构成新的微型超级电容阵列。而通过引入3D激光诱导石墨烯泡沫，增加了电导率和吸收带电离子数量。
 
目前，Larry Cheng团队将这项研究成果更进一步。Larry Cheng表示，目前这款自供电可拉伸健康监测仪已经是一个完整的系统，能够用于研发简单、低成本、可扩展的设备制造方法，这是接下来的方向。