石墨烯助力可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自供電

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）隨著人們生活水平的提高，以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(chǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大。

而可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵就是傳感器，包括運(yùn)動(dòng)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(dá)到3.96億臺(tái)，到2024年將達(dá)到6.371億臺(tái)，五年的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)為12.4%。快速增長(zhǎng)的設(shè)備將對(duì)可穿戴傳感器起到極大的帶動(dòng)作用。

從發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，一方面可穿戴設(shè)備越來(lái)越追求智能化，傳統(tǒng)消費(fèi)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(wú)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(jìn)的傳感器，讓可穿戴設(shè)備具有更人性化的功能。比如美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)和力學(xué)系的Dorothy Quiggle職業(yè)發(fā)展助理教授Larry Cheng，通過(guò)制造新型可穿戴傳感器，改善了健康監(jiān)測(cè)。

在其研發(fā)的一系列可穿戴傳感器中，其中有一項(xiàng)是利用石墨烯材料打造自供電可拉伸健康監(jiān)測(cè)儀，這項(xiàng)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(dǎo)體、半導(dǎo)體材料與器件，以及自愈合材料和生物相容材料已廣泛應(yīng)用于電子皮膚物理傳感平臺(tái)，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(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景。

Larry Cheng團(tuán)隊(duì)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(cè)儀，Larry Cheng指出，“在監(jiān)測(cè)各種信號(hào)的同時(shí)，該自供電傳感器以一種封閉的反饋回路從身體運(yùn)動(dòng)中收集能量。”解決了他此前一直提到的行業(yè)痛點(diǎn)——輸出功率低且不穩(wěn)定。

不過(guò)，關(guān)注Larry Cheng團(tuán)隊(duì)研究進(jìn)程，以及可穿戴傳感器發(fā)展的業(yè)者應(yīng)該也清楚，該團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)技術(shù)并非是近來(lái)的新突破。實(shí)際上，在去年賓夕法尼亞州立大學(xué)官網(wǎng)就曾專門(mén)報(bào)道過(guò)這項(xiàng)研究，并給出了很多技術(shù)細(xì)節(jié)。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的報(bào)道，Larry Cheng團(tuán)隊(duì)是通過(guò)使用非層狀超薄磷化鋅納米片以及3D激光誘導(dǎo)石墨烯泡沫來(lái)構(gòu)建單元的島橋設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了高效的充放電，而且讓微型超級(jí)電容陣列具有了更好的拉伸性。

圖源：賓夕法尼亞州立大學(xué)官網(wǎng)

微型超級(jí)電容陣列是Larry Cheng團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)自供電可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵。由于儲(chǔ)能和釋放不存在化學(xué)反應(yīng)，充放電次數(shù)可達(dá)十萬(wàn)次以上的超級(jí)電容在自供電領(lǐng)域被寄予厚望，很多應(yīng)用都希望能夠借助超級(jí)電容取代傳統(tǒng)的鋰電池供電。

不過(guò)，傳統(tǒng)的微型超級(jí)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(huì)出現(xiàn)柔韌性差、離子擴(kuò)散距離長(zhǎng)以及集成復(fù)雜等問(wèn)題。

按照Larry Cheng的描述，他們團(tuán)隊(duì)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(jí)電容拉伸和彎曲的問(wèn)題，構(gòu)成新的微型超級(jí)電容陣列。而通過(guò)引入3D激光誘導(dǎo)石墨烯泡沫，增加了電導(dǎo)率和吸收帶電離子數(shù)量。

目前，Larry Cheng團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)研究成果更進(jìn)一步。Larry Cheng表示，目前這款自供電可拉伸健康監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，能夠用于研發(fā)簡(jiǎn)單、低成本、可擴(kuò)展的設(shè)備制造方法，這是接下來(lái)的方向。