石墨烯助力可穿戴設(shè)備實現(xiàn)穩(wěn)定自供電

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）隨著人們生活水平的提高，以及科學技術(shù)的進步，可穿戴設(shè)備也得到了快速發(fā)展，智能手表/手環(huán)、VR/AR、智能眼鏡等設(shè)備的市場規(guī)模逐年擴大。

而可穿戴設(shè)備實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵就是傳感器，包括運動型傳感器、生物型傳感器和環(huán)境傳感器等。根據(jù)IDC公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球可穿戴設(shè)備的出貨量達到3.96億臺，到2024年將達到6.371億臺，五年的復合年增長率(CAGR)為12.4%。快速增長的設(shè)備將對可穿戴傳感器起到極大的帶動作用。

從發(fā)展趨勢上來看，一方面可穿戴設(shè)備越來越追求智能化，傳統(tǒng)消費電子的智能化功能，以及一些新增的和醫(yī)療相關(guān)的智能化功能，都被集成到可穿戴設(shè)備中；另一方面，更加人性化也是一些具備醫(yī)療功能的可穿戴設(shè)備要持續(xù)優(yōu)化的產(chǎn)品性能，柔性和無創(chuàng)是其中的代表。

研究人員一直都在致力于研發(fā)出更先進的傳感器，讓可穿戴設(shè)備具有更人性化的功能。比如美國賓夕法尼亞州立大學工程科學和力學系的Dorothy Quiggle職業(yè)發(fā)展助理教授Larry Cheng，通過制造新型可穿戴傳感器，改善了健康監(jiān)測。

在其研發(fā)的一系列可穿戴傳感器中，其中有一項是利用石墨烯材料打造自供電可拉伸健康監(jiān)測儀，這項研究在年初還登上了Applied Physics Review期刊。

Larry Cheng表示，盡管用于可拉伸能量收集器的自充電電源裝置已經(jīng)存在，但它們的制造成本昂貴、攜帶沉重，而且“輸出功率低且不穩(wěn)定”。

目前一些可拉伸的導體、半導體材料與器件，以及自愈合材料和生物相容材料已廣泛應用于電子皮膚物理傳感平臺，很多相關(guān)的研究都是采用納米材料和MEMS工藝融合。這些納米材料包括碳納米管、石墨烯等。

石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景。

Larry Cheng團隊基于多孔石墨烯泡沫材料打造了一款自供電可拉伸健康監(jiān)測儀，Larry Cheng指出，“在監(jiān)測各種信號的同時，該自供電傳感器以一種封閉的反饋回路從身體運動中收集能量?！苯鉀Q了他此前一直提到的行業(yè)痛點——輸出功率低且不穩(wěn)定。

不過，關(guān)注Larry Cheng團隊研究進程，以及可穿戴傳感器發(fā)展的業(yè)者應該也清楚，該團隊這項技術(shù)并非是近來的新突破。實際上，在去年賓夕法尼亞州立大學官網(wǎng)就曾專門報道過這項研究，并給出了很多技術(shù)細節(jié)。

根據(jù)當時的報道，Larry Cheng團隊是通過使用非層狀超薄磷化鋅納米片以及3D激光誘導石墨烯泡沫來構(gòu)建單元的島橋設(shè)計，不僅實現(xiàn)了高效的充放電，而且讓微型超級電容陣列具有了更好的拉伸性。

圖源：賓夕法尼亞州立大學官網(wǎng)

微型超級電容陣列是Larry Cheng團隊實現(xiàn)自供電可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵。由于儲能和釋放不存在化學反應，充放電次數(shù)可達十萬次以上的超級電容在自供電領(lǐng)域被寄予厚望，很多應用都希望能夠借助超級電容取代傳統(tǒng)的鋰電池供電。

不過，傳統(tǒng)的微型超級電容具有的“三明治式”的堆疊幾何形狀，不能夠直接用于可穿戴設(shè)備，尤其是柔性可穿戴設(shè)備上，會出現(xiàn)柔韌性差、離子擴散距離長以及集成復雜等問題。

按照Larry Cheng的描述，他們團隊的做法是采用了全新的設(shè)備架構(gòu)和集成工藝，用蛇形、島橋布局的方式解決了微型超級電容拉伸和彎曲的問題，構(gòu)成新的微型超級電容陣列。而通過引入3D激光誘導石墨烯泡沫，增加了電導率和吸收帶電離子數(shù)量。

目前，Larry Cheng團隊將這項研究成果更進一步。Larry Cheng表示，目前這款自供電可拉伸健康監(jiān)測儀已經(jīng)是一個完整的系統(tǒng)，能夠用于研發(fā)簡單、低成本、可擴展的設(shè)備制造方法，這是接下來的方向。