Forskare har ägnat ett intensivt arbete de senaste åren för att omvandla miljöenergi till elektricitet för att möta de pågående kraven på en renare och mer hållbar kraftkälla. Att skörda miljömekanisk energi som en miljövänlig metod är en lovande lösning och spelar en viktig roll för att bygga bärbar elektronik och sensornätverk i Internet of Things (IoTs). En triboelektrisk nanogenerator (TENG) är en självdriven, genomförbar lösning för att omvandla mekanisk energi till elektricitet och specifikt tillgodose den ökande efterfrågan på internet of things (IoTs).

I detta arbete, Di Liu och medarbetare vid avdelningarna för nanoenergi och nanosystem, Materialvetenskap och teknik, och nanovetenskap och teknologi i Kina och USA, utvecklat en nästa generations TENG för att realisera konstant strömutgång genom att koppla triboelektrifieringseffekten och elektrostatiskt genombrott. De erhöll en triboelektrisk laddningstäthet (430 µC m ^-2 ), mycket högre än de med konventionell TENG – som begränsades av elektrostatiskt genombrott. Resultaten av studien publiceras nu i Vetenskapens framsteg, att främja miniatyrisering av självdrivna system för användning i IoT och tillhandahålla en paradigmskifteteknik för att skörda mekanisk energi.

Lätta och bärbara strömförsörjningsmoduler med hög energilagringsprestanda är önskvärda för bärbar teknologi inom materialvetenskap. De kan konventionellt uppnås genom att direkt integrera en laddningsbar energilagringsenhet, dvs ett batteri eller superkondensator till tyger. Mekanisk energiskörd har väckt stor uppmärksamhet när den utforskas genom teknikerna för elektromagnetiska generatorer (EMG), piezoelektriska nanogeneratorer (PENG) och triboelektriska nanogeneratorer (TENG).

Medan EMG är baserade på Faradays lag om elektromagnetisk induktion, lämplig för storskalig elproduktion, PENGs kan omvandla små fysiska deformationer till elektricitet i självdrivna, småskaliga enheter. Konventionella TENG har visat sig vara kostnadseffektiva, rena och hållbara funktioner, på basis av triboelektriska effekter och elektrostatisk induktion för att omvandla energi till elektricitet. TENGs erbjuder också lätta, liten storlek, ett brett urval av material och hög effektivitet även vid låga frekvenser.

Konventionella TENG hålls inne på grund av kraven på en likriktare (korrigerare), såsom en roterande likriktarbrygga för att generera en DC-utgång, vilket begränsar dess portabilitet. Dessutom, AC-drivna TENG kräver elektromagnetisk skärmning genom sensorintegration, vilket kan minska graden av dess anpassning i en miniatyriserad anordning. Den pulsade utsignalen kan ge upphov till en mycket hög toppfaktor, vilket är ett nyckelmått för att producera instabilitet som påverkar prestandan för energilagring och elektronik, där konstant input är att föredra. Medan en konstant DC-utgång realiserades helt nyligen med den glidande Schottky nanokontakttekniken, utspänningen var för låg för att direkt driva elektronik. I detta arbete, Liu et al. därför uppfann DC-TENG, att ta itu med dessa problem och generera konstant DC genom att direkt koppla triboelektrifieringseffekten och elektrostatisk nedbrytning som en paradigmskiftande teknik.

Arbetsprincipen för DC-TENG förlitade sig på triboelektrifiering eller laddningsöverföring mellan två ytor i kontakt i omgivande miljöer, liknar samma naturliga princip bakom bärnstenseffekten och blixten. För detta, Liu et al. inducerad artificiell blixt med en laddningssamlande elektrod (CCE), friktionselektrod (FE) och triboelektriskt lager i nästa generations DC-TENG-setup. I experimentet, forskarna använde kopparelektroder för både CCE och FE, och en film av polytetrafluoreten (PTFE) fäst vid en akrylskiva som det triboelektriska skiktet.

Baserat på den initiala inriktningen mellan elektroderna och PTFE-filmen, Liu et al. genererade en kvasi-permanent elektrisk laddning på PTFE-filmen. De flyttade ett reglage i mediet för att bygga upp ett mycket högt elektrostatiskt fält mellan CCE och negativt laddad PTFE-film. När det elektrostatiska fältet översteg den dielektriska styrkan mellan dem vid ett ungefärligt värde av 3 kV/mm, den närliggande luften blev delvis joniserad för att börja leda. Denna teknik resulterade i flödet av elektroner från PTFE till CCE i experimentet för att rationellt inducera luftnedbrytning och skapa konstgjord blixt.

Till skillnad från konventionella TENG som inte utnyttjade energin från luftnedbrytning, Liu et al. använde CCE för att effektivt driva in dessa avgifter. I korthet, i sin experimentuppställning, elektronerna på FE överförs till PTFE via triboelektrifiering, transporteras sedan till CCE via elektrostatiskt genombrott och slutligen till FE via en extern krets. När reglaget återgick till sitt ursprungliga tillstånd i experimentet, det fanns inget strömflöde i den externa kretsen på grund av frånvaron av en potentialskillnad över CCE- och PTFE-filmen.

På det här sättet, forskarna producerade cyklisk DC genom att regelbundet flytta reglaget, de mätte DC som resulterade från den enkelriktade dielektriska nedbrytningen av kondensatorn för att producera en pågående ledningsström. Liu et al. visade att laddningsmängden som skördades av DC-TENG via dielektrisk nedbrytning var större än den som skördades av konventionell TENG med hjälp av elektrostatisk induktion och syftade till att använda detta nya paradigm som en prototyp för att skörda blixtenergi. De avser att undersöka den detaljerade mekanismen för processen och forma en exakt teoretisk modell i framtiden.

I föreliggande studie, Liu et al. designat två lägen av DC-TENG:ett glidläge och ett roterande läge. För att implementera glidningsprocessen använde forskarna en linjär motor och använde en kommersiell motor för att driva den roterande processen. De använde bilder med svepelektronmikroskopi (SEM) för att se nanotrådselektroderna (CCE och FE) på PTFE-ytan. När de flyttade rutschkanan längs det elektrifierade lagret, forskarna fångade fenomenet koronaurladdning som ett grönt sken under luftnedbrytning mellan PTFE och CCE som ett solidt bevis på luftnedbrytning under enhetens drift.

De mätte ytpotentialen för PTFE för att visa elektrostatisk laddningsurladdning genom elektrostatiskt genombrott med hjälp av en Isoprobe elektrostatisk voltmeter, följt av mätning av kortslutningsström och överförda laddningar av DC-TENG, med hjälp av en programmerbar elektrometer. För att mäta öppen kretsspänningen för glidläget DC-TENG, de använde ett oscilloskop med blandad domän – alla resultat uppvisade egenskaper med god DC-utgång.

Liu et al. visade att den initiala laddningstätheten för DC-TENG var högre (330 µC m ^-2 ) än konventionell TENG (~ 70 µC m ^-2 ). För att öka laddningstätheten, forskarna introducerade nanostrukturer på PTFE-ytorna med induktivt kopplade plasmaprocesser för att modifiera materialet och uppnå en sexfaldig ökning av laddningstätheten vid 430 µC m ^-2 . Arbetet visade att systemets utgångsprestanda kunde förbättras genom enkel strukturell optimering av PTFE-filmytan. När Liu et al. mätte den långsiktiga utströmmen för DC-TENG efter 3000 cykler, DC-utgångsströmmen förblev nästan stabil, bekräftar utmärkt stabilitet i installationen.

Parallellt, forskarna mätte på liknande sätt uteffekten för roterande läge DC-TENG. Strukturen på uppställningen innehöll en stator och en rotator, och ungefär som det glidande läget DC-TENG var Fes och CCE anslutna. Som förut, forskarna genomförde mätningar för att visa hur elproduktionen förlitade sig på den relativa rotationen mellan rotatorn och statorn för bättre prestanda jämfört med konventionella DC-TENG.

På grund av deras kontinuerliga DC-utgång, Liu et al. demonstrerade tillämpningar av nya DC-TENG för att driva elektroniska enheter utan att använda en likriktare. För enhetsfunktionalisering, de självdrivna DC-TENG:arna kunde driva elektronik direkt genom att omvandla mekanisk energi. Som ett bevis på principen, forskarna bildade en elektronisk klocka som drivs direkt av ett glidläge DC-TENG och en vetenskaplig kalkylator som drivs av en roterande DC-TENG. Dessutom, de bildade en lysdiod (LED) array, som kan lysas upp av DC-TENGs roterande läge, och till skillnad från LED-driven via konventionell TENG, dessa LED-lampor förblev utan att flimra vid en konstant luminescens.

På det här sättet, Liu et al. uppnådde omvandlingen av mekanisk energi till konstant utström genom att designa nästa generations DC-TENG baserat på den kopplade effekten av triboelektrifiering och elektrostatiskt nedbrytning. De använde ett glidläge DC-TENG och ett roterande läge DC-TENG för att demonstrera mekanismen, vilket resulterar i ett laddningsdensitetsvärde mycket högre (430 µC m ^-2 ) än den för den konventionella anordningen. Toppfaktorn för roterande TENG var nära ett, indikerar en konstant strömutgång.

Den nya DC-TENG är en effektiv strategi för att skörda mekanisk energi och kraftelektronik eller ladda en energilagringsenhet direkt utan likriktare. Paradigmskiftet i att omvandla mekanisk energi till elektricitet kan också främja miniatyriseringen av självdrivna system i bärbar elektronik och sensornätverk i IoT. Liu et al. Föreställ dig ytterligare enheten som en prototyp för att skörda blixtenergi i framtiden.

© 2019 Science X Network