Mer än 60 forskargrupper världen över utvecklar nu variationer av den triboelektriska nanogeneratorn (TENG), som omvandlar omgivande mekanisk energi till elektricitet för att driva bärbar elektronik, sensornätverk, implanterbar medicinsk utrustning och andra små system.

För att tillhandahålla ett medel för både att jämföra och välja dessa nanogeneratorer för energiupptagning för specifika tillämpningar, forskargruppen Georgia Institute of Technology som var banbrytande inom TENG -tekniken har nu föreslagit en uppsättning standarder för kvantifiering av enhetens prestanda. Förslaget utvärderar både strukturella och materialprestanda för de fyra huvudtyperna av TENG -enheter.

"Triboelektriska nanogeneratorer är en ny energiteknik som har visat en fenomenal potential, "sade Zhong Lin Wang, professor i Regents vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Här, Vi har föreslagit standarder enligt vilka prestanda för dessa enheter kan kvantifieras och jämföras. Dessa standarder kommer att vara användbara för akademiska forskare som utvecklar enheterna och för framtida industriella tillämpningar av nanogeneratorerna. "

De föreslagna standarderna beskrivs i en artikel publicerad 25 september i tidningen Naturkommunikation .

Triboelektriska nanogeneratorer använder en kombination av den triboelektriska effekten och elektrostatisk induktion för att generera liten mängd elektrisk kraft från mekanisk rörelse såsom rotation, glidande eller vibrationer. Den triboelektriska effekten drar fördel av det faktum att vissa material blir elektriskt laddade efter att de kommer i rörlig kontakt med en yta gjord av ett annat material. Elen som genereras av TENG -enheter kan ersätta eller komplettera batterier för ett brett spektrum av potentiella applikationer.

Utvecklad under de senaste åren, tekniken har avancerat till den punkt där den kan driva små elektroniska enheter, möjligen möjliggör utbredd avkännings- och infrastruktursystem - samt att driva bärbara konsumentenheter.

"På grund av det stora antalet enheter som utvecklas, människor måste ha en standard för att bedöma prestanda för dessa nanogeneratorer, "Sade Wang. Han noterade att standarder har gjort det möjligt för tekniker som solceller och termoelektriska enheter att avancera, även om prestandan hos TENG -enheter är svårare att kvantifiera på grund av de olika design- och materialalternativen som finns.

I deras papper, Wangs team föreslår en allmän meritvärde som kan användas för att kvantifiera den potentiella energiproduktionen från TENG-enheterna. Den allmänna meritvärdet består av information från två andra källor:möjligheterna hos den specifika TENG-struktur som används, och ytladdningstätheten tillhandahålls av de specifika materialen som valts för att konstruera enheten. Utgången jämförs med de mekaniska energiinmatningarna för att ge en effektivitetsjämförelse.

Dessa mätningar är baserade på diagram över spänningsuppbyggnad och totala överförda elektriska laddningar från varje enhet. Meritens strukturella siffror härrör från teoretiska beräkningar för vart och ett av de fyra stora nanogeneratorlägena, plus experimentella resultat från TENG -enheter placerade i en krets med en strömbrytare och en elektrisk belastning. Materialets värde beror på experimentella mätningar av ytladdningstätheten som görs med en experimentell uppsättning som använder flytande metall för att samla ytladdningen.

Variationer i TENG -strukturer tillåter en mängd olika tillämpningar beroende på källan till mekanisk energi. De fyra stora grupperna inkluderar (1) vertikalt kontaktseparationsläge, (2) glidläge i sidled, (3) enkelelektronläge, och (4) fristående triboelektriskt skiktläge. Det finns också hybridkombinationer av dessa stora strukturella lägen.

Kontaktseparationsläget, till exempel, drivs av en periodisk drivkraft som orsakar upprepad kontakt, och sedan separation, mellan två olika material som har belagda elektroder på de övre och nedre ytorna. Glidmodellen i sidled använder två ytor som kort glider ihop, separera sedan, generera en avgift.

"Vi kan beräkna för de fyra lägena vilka är de bästa storlekarna och formerna, och den bästa effekt du kan förvänta dig för en specifik strukturell förtjänst, "Förklarade Wang.

Materialval som testats inkluderar fluorerad etenpropylen, Kapton, polariserad polyvinylidenfluorid, polyeten, naturgummi och cellulosa.

Mät- och teoretiska tekniker utvecklades av postdoktor Yunlong Zi och doktorand Simiao Niu, båda medlemmarna i Wangs forskargrupp. Vid utvecklingen av sina föreslagna standarder, forskarna övervägde vad som redan hade gjorts för att sätta standarder för värmemotorer och annan teknik.

"För triboelektriska generatorer, eftersom den mekaniska ingången är varierad, du har olika sorters mätningar för att utvärdera prestanda, "sa Zi." Dessa förtjänstsiffror är betydligt mer komplicerade än vad som skulle behövas för att känneteckna solcellsprestanda, till exempel."

Att publicera de föreslagna standarderna är ett första steg i vad Wang förväntar sig vara en lång process för att få acceptans. Han planerar att spendera de närmaste månaderna på att förklara standarden för andra forskargrupper som utvecklar TENG -enheter.

Han uppskattar att det kan finnas 60 forskargrupper runt om i världen som arbetar med TENG -enheter, och han förväntar sig att antalet kommer att växa när nanogeneratorerna blir mer sofistikerade och kraftfulla.

"När bärbar elektronik blir mer populär och moderiktig, vi kommer att behöva ett bättre sätt att driva dem, "Sade Wang." Triboelektriska nanogeneratorer kan spela en stor roll i det. Vi har lagt mycket tid på att förbättra energieffektiviteten, och fältet expanderar snabbt. "

I sista hand, han sa, standarderna kan också ändras för piezoelektriska generatorer och andra system som är utformade för att producera elektricitet från mekanisk rörelse.