Трибоэлектрический наногенератор (TENG) как экологически чистая технология сбора энергии вызвал огромный интерес во многих областях, таких как носимая электроника, имплантированные электронные устройства и человеко-машинные интерфейсы.
Ткани и материалы с волокнистой структурой являются отличными кандидатами для материалов TENG из-за присущей им гибкости, низкой стоимости и высокого комфорта при ношении. Следовательно, крайне важно сочетать TENG с тканевыми и волокнистыми материалами, чтобы одновременно использовать их преимущества в отношении сбора механической энергии и износостойкости.
Генераторы TENG собирают энергию от движения тела для зарядки мобильных телефонов
Введение
В последние годы мобильные носимые устройства и сети беспроводной связи, как символы новой эры, постепенно изменили образ жизни людей. В частности, гибкие устройства подачи энергии привлекли большое внимание с развитием рынков носимой электроники.
Хотя внешние источники питания носимых электронных устройств, таких как небольшие твердые батареи, суперконденсаторы, литий-ионные батареи и т. д., становятся все более и более миниатюрными и портативными, их жесткая природа противоречит гибкости ткани, что приводит к снижению комфорта при ношении.
Кроме того, эти аккумуляторные устройства не могут обеспечить длительную подачу энергии при многократных зарядах и разрядах.
Также большое количество отработанной электроники требует высоких затрат на утилизацию и переработку и приводит к загрязнению почвы и воды, что более опасно, так это то, что в сложных рабочих условиях они могут легко вызвать утечку электролита и окисленных материалов внутри батареи, что может нанести серьезный вред пользователям.
Таким образом, с точки зрения экономического и устойчивого развития устройства с жесткими батареями являются плохим выбором для будущей разработки носимых датчиков. Следовательно, крайне важно выбрать устойчивый зеленый и экологически чистый гибкий источник питания, который не только интегрирован и миниатюрен, но и экологически надежен и не нанесет случайного вреда человеческому телу.
Сбор энергии из окружающей среды является одним из возможных решений этой проблемы.
Являясь революционной технологией сбора энергии, трибоэлектрические наногенераторы (TENG) используют простую конструкцию и механизмы для эффективного сбора механической энергии и играют решающую роль в создании портативных источников питания или систем с автономным питанием. Кроме того, по сравнению с традиционными системами электропитания ТЭНы имеют преимущества легкого веса, простой конструкции и высокой адаптируемости материалов.
Как одна из самых распространенных энергий в среде обитания человека, механическая энергия обладает качествами непрерывности, независимости, легкого доступа и широкого распространения. Она имеет значительный потенциал применения в области интеллектуальных носимых устройств и биомедицинской инженерии.
Поскольку человеческое тело является не только богатым источником зеленой механической энергии, но и прикладным терминалом для умных носимых устройств, получение и использование необходимой энергии может быть достигнуто за счет движения человека путем интеграции наногенератора и движения человека.
Хотя некоторые полимерные пленки (например, политетрафторэтилен, полидиметилсилоксан) также могут прилипать к человеческому телу (например, к коленям, рукам) для сбора механической энергии или отслеживания движений, низкий комфорт при ношении и долговечность остаются серьезной проблемой.
Для сравнения, ткани и волокнистые материалы обладают естественной износостойкостью, присущей им долговечностью и могут выдерживать сложные механические деформации, такие как растяжение, скручивание, изгиб и разрыв, благодаря своей уникальности. Таким образом, интеграция передовых технологий сбора энергии и тканевых/волокнистых материалов выгодна для разработки носимых датчиков с автономным питанием.
Трибоэлектрические наногенераторы TENG и их применение
Тканевые и волокнистые материалы делятся на три категории в зависимости от методов их получения: ткань и текстильное волокно (метод прядения и ткачества), волокнистые материалы мокрого прядения (метод мокрого прядения) и нановолокна электропрядения (метод электропрядения).
В дополнение к сбору энергии также могут быть включены функции обнаружения движения человека и функциональные приложения. Эти приложения полностью подтверждают огромный потенциал TENG на основе ткани и волокна в области носимых датчиков с автономным питанием, внося революционные изменения в будущее развитие носимых технологий и значительно способствуя устойчивому росту рынка носимой электроники.
Трибоэлектрический наногенератор
TENG — это новая технология сбора энергии, предложенная профессором Ваном в 2012 году. Она может преобразовывать окружающую механическую энергию в электрическую, используя двойной эффект контактной электрификации и электростатической индукции.
В частности, когда два вида материалов находятся в контакте друг с другом под действием внешней силы, поверхность материалов будет производить положительные или отрицательные заряды из-за различной полярности трибоэлектрических материалов.
Когда два материала разделены, положительные и отрицательные статические заряды, генерируемые контактным электрическим зарядом, также отделяются, поэтому индуцированный потенциалсоответственно создается разность на электродах.
Если два электрода находятся под нагрузкой или в состоянии короткого замыкания, электроны, приводимые в движение разностью потенциалов, будут течь во внешних цепях, таким образом преобразуя механическую энергию в электрическую. Разница в поверхностном потенциале существенно влияет на трибоэлектрические свойства.
Типичные компоненты трибоэлектрического наногенератора, влияющие на выработку трибоэлектрической энергии. Слой генерации заряда (красный), слой улавливания заряда (зеленый), слой сбора заряда (серый) и слой накопления заряда (белый) могут влиять на выработку электроэнергии.
По сравнению с пьезоэлектрическими наногенераторами (PENG) и пироэлектрическими наногенераторами, TENG имеет преимущества высокой выходной мощности, широкого выбора материалов, простоты изготовления, низкой стоимости и легкого веса.
За последнее десятилетие TENG привлек значительное внимание, и был достигнут ряд исследовательских достижений с точки зрения разработки режима работы устройства, раскрытия физического механизма и изучения практических приложений.
Механизм и конструкция генераторов и датчиков с автономнымпитанием на основе TENG
На основе различных режимов работы TENG могут быть реализованы различные формы сбора механической энергии и датчики с автономным питанием в различных сценариях применения. Основные режимы работы следующие:
- Вертикальная контактно-разрывная модель.
- Одноэлектродный режим.
- Режим горизонтального скольжения.
- Режим отдельно стоящего трибоэлектрического слоя.
Волоконно-текстильные трибоэлектрические наногенераторы с высокой растяжимостью
Вертикальная контактно-разрывная модель
Вертикальная модель разделения контактов является самой простой и наиболее широко изученной из TENGов с самой высокой мгновенной выходной мощностью. Его типичная структура состоит из двух видов диэлектрических пленок с электродами, собранными вертикально на обратной стороне.
Когда диэлектрические пленки вступают в повторный контакт, разность потенциалов, вызванная трибоэлектрическими зарядами, исчезает, и электроны текут в противоположном направлении. Под действием периодической внешней силы вертикальный контакт и разделение между двумя трибоэлектрическими слоями ТЭН генерируют периодический переменный ток.
Одноэлектродный режим
В повседневной жизни неудобно прикреплять электроды к поверхности трибоэлектрических материалов, особенно когда два движущихся материала соприкасаются друг с другом, что приводит к неопределенности.
Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили одноэлектродный TENG с одним электродом, прикрепленным к диэлектрической пленке. Таким образом, электродом фиксируется только выбранный материал.
Противоположный диэлектрический материал может быть любым другим движущимся материалом и даже может использоваться в качестве электрода. Однако из-за электростатического экранирования общая электрическая мощность одноэлектродного TENG составляет лишь половину от двухэлектродного режима.
Тем не менее, преимущество одноэлектродного TENG дает ему широкий спектр перспектив применения в мониторинге движения и сборе энергии капель воды, интеллектуальном зондировании, взаимодействии человека с компьютером и других областях.
Режим горизонтального скольжения
Начальная структура режима горизонтального скольжения TENG аналогична структуре режима вертикального контакта-разрыва, но пленки двух фрикционных материалов остаются в тесном контакте.
Под действием внешних сил два фрикционных материала скользят горизонтально параллельно поверхности и создают заряды трения на поверхности. Боковое разделение центра фрикционного заряда образует разность потенциалов, которая заставляет электроны проходить через внешнюю нагрузку, чтобы уравновесить электростатическое поле фрикционного заряда.
Режим горизонтального скольжения TENG отделяется и закрывается периодическим скольжением двух фрикционных материалов в горизонтальном направлении, создавая выход переменного тока. Однако трение скольжения между твердыми материалами сильно изнашивает материалы и выделяет тепло, что снижает эффективность и долговечность TENG.
Автономный режим трибоэлектрического слоя
Режим автономного трибоэлектрического слоя TENG обычно состоит из независимого слоя трения и неподвижного электрода, периодическое движение слоя трения между двумя электродами вызывает разность потенциалов, чтобы заставить электрон совершать возвратно-поступательное движение между двумя электродами через цепи для уравновешивания изменений разности потенциалов.
Подобно одноэлектродной структуре TENG, автономный режим прост в конструкции и изготовлении, кроме того, независимый фрикционный слой может периодически перемещаться без ограничений и не подвержен влиянию электростатического экранирующего эффекта, поэтому он имеет более высокую эффективность преобразования энергии.