En næste generation af triboelektrisk nanogenerator (TENG) til at realisere konstant strøm fra elektrostatisk nedbrud

Forskere har dedikeret intenst arbejde i de seneste år for at omdanne miljøenergi til elektricitet for at imødekomme de løbende krav om en renere og mere bæredygtig strømkilde. Høst af miljømæssig mekanisk energi som en miljøvenlig metode er en lovende løsning og spiller en væsentlig rolle i opbygningen af ​​bærbar elektronik og sensornetværk i tingenes internet (IoTs). En triboelektrisk nanogenerator (TENG) er en selvdrevet, gennemførlig løsning til at konvertere mekanisk energi til elektricitet og specifikt tilfredsstille den stigende efterspørgsel fra tingenes internet (IoT'er).

I nærværende arbejde, Di Liu og medarbejdere ved afdelingerne for nanoenergi og nanosystemer, Materialevidenskab og teknik, og nanovidenskab og teknologi i Kina og USA, udviklet en næste generations TENG til at realisere konstant strømudgang ved at koble triboelektrificeringseffekten og elektrostatisk nedbrud. De opnåede en triboelektrisk ladningstæthed (430 µC m ^-2 ), meget højere end dem med konventionel TENG - som var begrænset af elektrostatisk nedbrud. Resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort i Videnskabens fremskridt, at fremme miniaturiseringen af ​​selvdrevne systemer til brug i IoT'er og tilvejebringe en paradigmeskifteteknik til at høste mekanisk energi.

Lette og bærbare strømforsyningsmoduler med høj energilagringsydelse er ønskelige til bærbar teknologi inden for materialevidenskab. De kan konventionelt opnås ved direkte at integrere en genopladelig energilagringsenhed, dvs. et batteri eller superkondensator ind i stoffer. Mekanisk energihøst har tiltrukket sig stor opmærksomhed, da det er blevet udforsket gennem teknikkerne til elektromagnetiske generatorer (EMG'er), piezoelektriske nanogeneratorer (PENG'er) og triboelektriske nanogeneratorer (TENG'er).

Mens EMG'er er baseret på Faradays lov om elektromagnetisk induktion, velegnet til storskala elproduktion, PENG'er kan konvertere små fysiske deformationer til elektricitet i selvdrevne, små enheder. Konventionelle TENG'er har vist sig at være omkostningseffektive, rene og bæredygtige funktioner, på basis af triboelektriske effekter og elektrostatisk induktion for at omdanne energi til elektricitet. TENG'erne tilbyder også letvægts, lille størrelse, et bredt udvalg af materialer og høj effektivitet selv ved lave frekvenser.

Konventionelle TENG'er tilbageholdes på grund af kravene til en ensretter (korrektor), såsom en roterende ensretterbro til at generere en DC-udgang, hvilket begrænser dens portabilitet. Ud over, AC-drevne TENG'er kræver elektromagnetisk afskærmning gennem sensorintegration, hvilket kan reducere graden af ​​dets tilpasning i en miniaturiseret enhed. Det pulserede output kan give anledning til en meget høj topfaktor, som er et nøglemål for output-ustabilitet, der påvirker ydeevnen af ​​energilagring og elektronik, hvor konstant input foretrækkes. Mens en konstant DC-output blev realiseret for ganske nylig ved hjælp af den glidende Schottky nanokontakt-teknik, udgangsspændingen var for lav til direkte at drive elektronik. I nærværende arbejde, Liu et al. derfor opfandt DC-TENG, at løse disse problemer og generere konstant DC ved direkte at koble triboelektrificeringseffekt og elektrostatisk nedbrydning som en paradigmeskiftende teknik.

Arbejdsprincippet for DC-TENG var baseret på triboelektrificering eller ladningsoverførsel mellem to overflader i kontakt i omgivende miljøer, ligner det samme naturlige princip bag raveffekten og lynet. For det, Liu et al. induceret kunstigt lyn med en ladningssamlende elektrode (CCE), friktionselektrode (FE) og triboelektrisk lag i næste generations DC-TENG-opsætning. I forsøget forskerne brugte kobberelektroder til både CCE og FE, og en polytetrafluorethylen (PTFE) film fæstnet til en acrylplade som det triboelektriske lag.

Baseret på den indledende justering mellem elektroderne og PTFE-filmen, Liu et al. genereret en kvasi-permanent elektrisk ladning på PTFE-filmen. De flyttede en skyder i mediet for at bygge et meget højt elektrostatisk felt mellem CCE og negativt ladet PTFE-film. Når det elektrostatiske felt oversteg den dielektriske styrke mellem dem ved en omtrentlig værdi på 3 kV/mm, den nærliggende luft blev delvist ioniseret for at begynde at lede. Denne teknik resulterede i strømmen af ​​elektroner fra PTFE til CCE i eksperimentet for rationelt at inducere luftnedbrydning og skabe kunstigt lyn.

I modsætning til konventionelle TENG'er, der ikke udnyttede energien fra luftnedbrydning, Liu et al. brugte CCE til effektivt at opkræve disse gebyrer. Kort om, i deres eksperimentelle opsætning, elektronerne på FE overført til PTFE via triboelektrificering, derefter transporteret til CCE via elektrostatisk nedbrud og i sidste ende til FE via et eksternt kredsløb. Da skyderen vendte tilbage til sin oprindelige tilstand i eksperimentet, der var ingen strøm i det eksterne kredsløb på grund af fraværet af en potentialforskel over CCE- og PTFE-filmen.

På denne måde forskerne producerede cyklisk DC ved periodisk at flytte skyderen, de målte DC'en som følge af den ensrettede dielektriske nedbrydning af kondensatoren for at producere en vedvarende ledningsstrøm. Liu et al. viste, at ladningsmængden høstet af DC-TENG via dielektrisk nedbrydning var større end den, der blev høstet af konventionel TENG ved brug af elektrostatisk induktion og havde til formål at bruge dette nye paradigme som en prototype til at høste lynenergi. De har til hensigt at undersøge den detaljerede mekanisme i processen og danne en præcis teoretisk model i fremtiden.

I nærværende undersøgelse, Liu et al. designet to tilstande af DC-TENG:en glidende tilstand og en roterende tilstand. For at implementere glideprocessen brugte forskerne en lineær motor og brugte en kommerciel motor til at drive den roterende proces. De brugte scanningselektronmikroskopi (SEM) billeder til at se nanotrådselektroderne (CCE og FE) på PTFE-overfladen. Da de flyttede rutsjebanen langs det elektrificerede lag, forskerne fangede fænomenet koronaudladning som et grønt skær under luftnedbrydning mellem PTFE og CCE som et solidt bevis på luftnedbrud under enhedens drift.

De målte overfladepotentialet af PTFE for at vise elektrostatisk ladningsudladning ved elektrostatisk nedbrydning ved hjælp af et Isoprobe elektrostatisk voltmeter, efterfulgt af måling af kortslutningsstrøm og overførte ladninger af DC-TENG, ved hjælp af et programmerbart elektrometer. For at måle åben kredsløbsspænding af glidende tilstand DC-TENG, de brugte et blandet domæne-oscilloskop - alle resultater udviste karakteristika for god DC-output.

Liu et al. viste, at den indledende ladningstæthed af DC-TENG var højere (330 µC m ^-2 ) end konventionel TENG (~ 70 µC m ^-2 ). For at øge ladningstætheden, forskerne introducerede nanostrukturer på PTFE-overfladerne ved hjælp af induktivt koblede plasmaprocesser for at modificere materialet og opnå en seks gange ladningstæthedsforøgelse ved 430 µC m ^-2 . Arbejdet viste, at systemets output-ydelse kunne forbedres ved simpel strukturel optimering af PTFE-filmoverfladen. Når Liu et al. målte den langsigtede udgangsstrøm af DC-TENG efter 3000 cyklusser, DC-udgangsstrømmen forblev næsten stabil, bekræfter fremragende stabilitet af opsætningen.

Parallelt, forskerne målte på samme måde outputydelsen af ​​rotationstilstand DC-TENG. Strukturen af ​​opsætningen indeholdt en stator og en rotator, og meget ligesom glidetilstanden DC-TENG var Fes og CCE'erne forbundet. Som før, forskerne udførte målinger for at vise, hvordan elproduktion var afhængig af den relative rotation mellem rotatoren og statoren for bedre ydeevne sammenlignet med konventionel DC-TENG.

På grund af deres kontinuerlige DC-udgangsgenerering, Liu et al. demonstrerede anvendelser af nye DC-TENG'er til at drive elektroniske enheder uden brug af en ensretter. Til enhedsfunktionalisering, de selvdrevne DC-TENG'ere var i stand til at drive elektronik direkte ved at konvertere mekanisk energi. Som et bevis på princippet, forskerne dannede et elektronisk ur drevet direkte af en glidende tilstand DC-TENG og en videnskabelig regnemaskine drevet af en roterende DC-TENG. Ud over, de dannede en lys-emitterende diode (LED) pære array, som kunne tændes af DC-TENG's roterende tilstand, og i modsætning til LED drevet via konventionel TENG, disse LED-lys forblev uden at flimre ved en konstant luminescens.

På denne måde Liu et al. opnået konvertering af mekanisk energi til konstant udgangsstrøm ved at designe næste generations DC-TENG'er baseret på den koblede effekt af triboelektrificering og elektrostatisk nedbrydning. De brugte en glidende tilstand DC-TENG og rotationstilstand DC-TENG til at demonstrere mekanismen, hvilket resulterer i en ladningstæthedsværdi meget højere (430 µC m ^-2 ) end den for den konventionelle enhed. Topfaktoren for roterende TENG var tæt på en, angiver en konstant strømudgang.

Den nye DC-TENG er en effektiv strategi til at høste mekanisk energi og kraftelektronik eller oplade en energilagringsenhed direkte uden en ensretter. Paradigmeskiftet i at konvertere mekanisk energi til elektricitet kan også fremme miniaturiseringen af ​​selvdrevne systemer i bærbar elektronik og sensornetværk i IoT'erne. Liu et al. yderligere forestille sig enheden som en prototype til at høste lynenergi i fremtiden.

© 2019 Science X Network