Foreslåede standarder for triboelektriske nanogeneratorer kunne lette sammenligninger

Mere end 60 forskningsgrupper verden over udvikler nu variationer af den triboelektriske nanogenerator (TENG), som konverterer omgivende mekanisk energi til elektricitet til at drive bærbar elektronik, sensor netværk, implanterbart medicinsk udstyr og andre små systemer.

For at give et middel til både at sammenligne og udvælge disse energihøstende nanogeneratorer til specifikke applikationer, forskningsgruppen Georgia Institute of Technology, der var banebrydende for TENG-teknologien, har nu foreslået et sæt standarder for kvantificering af enhedens ydeevne. Forslaget evaluerer både den strukturelle og materialemæssige ydeevne af de fire hovedtyper af TENG-enheder.

"Triboelektriske nanogeneratorer er en ny energiteknologi, der har vist et fænomenalt potentiale, " sagde Zhong Lin Wang, en Regents-professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Her, vi har foreslået standarder, hvorefter ydeevnen af ​​disse enheder kan kvantificeres og sammenlignes. Disse standarder vil være nyttige for akademiske forskere, der udvikler enhederne og til fremtidige industrielle anvendelser af nanogeneratorerne."

De foreslåede standarder er beskrevet i en artikel offentliggjort den 25. september i tidsskriftet Naturkommunikation .

Triboelektriske nanogeneratorer bruger en kombination af den triboelektriske effekt og elektrostatisk induktion til at generere en lille mængde elektrisk strøm fra mekanisk bevægelse såsom rotation, glidning eller vibration. Den triboelektriske effekt udnytter det faktum, at visse materialer bliver elektrisk ladede, efter at de kommer i bevægende kontakt med en overflade lavet af et andet materiale. Den elektricitet, der genereres af TENG-enheder, kan erstatte eller supplere batterier til en bred vifte af potentielle anvendelser.

Udviklet gennem de seneste år, teknologien er avanceret til det punkt, hvor den kan drive små elektroniske enheder, potentielt muliggør udbredte registrerings- og infrastruktursystemer - samt forsyne bærbare forbrugerenheder.

"På grund af det store antal enheder, der udvikles, folk skal have en standard for at bedømme disse nanogeneratorers ydeevne, " sagde Wang. Han bemærkede, at standarder har gjort det muligt for teknologier som fotovoltaik og termoelektriske enheder at udvikle sig, selvom ydeevnen af ​​TENG-enheder er sværere at kvantificere på grund af de forskellige design- og materialer, der er tilgængelige.

I deres papir, Wangs team foreslår en generel værdi, som kan bruges til at kvantificere TENG-enhedernes potentielle energioutput. Den generelle fortjeneste består af information fra to andre kilder:mulighederne for den specifikke TENG-struktur, der anvendes, og overfladeladningstætheden tilvejebragt af de specifikke materialer, der er valgt til at konstruere anordningen. Outputtet sammenlignes med de mekaniske energiinput for at give en effektivitetssammenligning.

Disse målinger er baseret på plot af opbygningen af ​​spænding og samlede overførte elektriske ladninger fra hver enhed. De strukturelle værdier er afledt af teoretiske beregninger for hver af de fire store nanogeneratortilstande, plus eksperimentelle resultater produceret af TENG-enheder placeret i et kredsløb med en switch og en elektrisk belastning. Materialeværdien afhænger af eksperimentelle målinger af overfladeladningsdensiteten udført med en eksperimentel opsætning, der bruger flydende metal til at opsamle overfladeladningen.

Variationer i TENG-strukturer tillader en række anvendelser afhængigt af kilden til mekanisk energi. De fire hovedgrupper inkluderer (1) vertikal kontaktadskillelsestilstand, (2) lateral glidende tilstand, (3) enkelt-elektron tilstand, og (4) fritstående triboelektrisk-lagstilstand. Der er også hybride kombinationer af disse store strukturelle tilstande.

Kontaktadskillelsestilstanden, for eksempel, drives af en periodisk drivkraft, der forårsager gentagen kontakt, og derefter adskillelse, mellem to forskellige materialer, der har belagte elektroder på top- og bundfladen. Den laterale glidende model bruger to overflader, der kort glider sammen, så adskilles generere en afgift.

"Vi kan beregne for de fire tilstande, hvad der er de bedste størrelser og former, og den bedste effekt, du kan forvente for en specifik strukturel værdi, " forklarede Wang.

De testede materialevalg inkluderer fluoreret ethylenpropylen, Kapton, polariseret polyvinylidenfluorid, polyethylen, naturgummi og cellulose.

Måle- og teoretiske teknikker blev udviklet af postdoc-stipendiat Yunlong Zi og kandidatstuderende Simiao Niu, begge medlemmer af Wangs forskerhold. Ved at udvikle deres foreslåede standarder, forskerne overvejede, hvad der allerede var blevet gjort med at sætte standarder for varmemotorer og andre teknologier.

"For triboelektriske generatorer, fordi det mekaniske input er varieret, du har forskellige slags målinger til at evaluere ydeevnen, " sagde Zi. "Disse værdital er betydeligt mere komplicerede, end det ville være nødvendigt for at karakterisere solcellers ydeevne, for eksempel."

Udgivelsen af ​​de foreslåede standarder er et første skridt i, hvad Wang forventer vil være en lang proces med at opnå accept. Han planlægger at bruge de næste mange måneder på at forklare standarderne for andre forskningsgrupper, der udvikler TENG-enheder.

Han vurderer, at der kan være 60 forskergrupper rundt om i verden, der arbejder på TENG-enheder, og han forventer, at det tal vil vokse, efterhånden som nanogeneratorerne bliver mere sofistikerede og kraftfulde.

"Efterhånden som bærbar elektronik bliver mere populær og moderigtig, vi får brug for en bedre måde at drive dem på, " Wang sagde. "Triboelektriske nanogeneratorer kan spille en stor rolle i det. Vi har brugt meget tid på at forbedre strømeffektiviteten, og feltet udvides hurtigt."

Ultimativt, han sagde, standarderne kunne også modificeres for piezoelektriske generatorer og andre systemer designet til at producere elektricitet fra mekanisk bevægelse.