Più di 60 gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno ora sviluppando varianti del nanogeneratore triboelettrico (TENG), che converte l'energia meccanica ambientale in elettricità per alimentare l'elettronica indossabile, reti di sensori, dispositivi medici impiantabili e altri piccoli sistemi.

Per fornire un mezzo per confrontare e selezionare questi nanogeneratori per la raccolta di energia per applicazioni specifiche, il gruppo di ricerca del Georgia Institute of Technology che ha aperto la strada alla tecnologia TENG ha ora proposto una serie di standard per quantificare le prestazioni del dispositivo. La proposta valuta le prestazioni strutturali e dei materiali dei quattro principali tipi di dispositivi TENG.

"I nanogeneratori triboelettrici sono una nuova tecnologia energetica che ha mostrato un potenziale fenomenale, " ha detto Zhong Lin Wang, un professore Regents presso la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Qui, abbiamo proposto standard con cui quantificare e confrontare le prestazioni di questi dispositivi. Questi standard saranno utili per i ricercatori accademici che svilupperanno i dispositivi e per le future applicazioni industriali dei nanogeneratori".

Gli standard proposti sono descritti in un articolo pubblicato il 25 settembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I nanogeneratori triboelettrici utilizzano una combinazione dell'effetto triboelettrico e dell'induzione elettrostatica per generare una piccola quantità di energia elettrica dal movimento meccanico come la rotazione, scivolamento o vibrazione. L'effetto triboelettrico sfrutta il fatto che alcuni materiali si caricano elettricamente dopo essere entrati in contatto in movimento con una superficie costituita da un materiale diverso. L'elettricità generata dai dispositivi TENG potrebbe sostituire o integrare le batterie per un'ampia gamma di potenziali applicazioni.

Sviluppato negli ultimi anni, la tecnologia è avanzata al punto da poter alimentare piccoli dispositivi elettronici, potenzialmente abilitare sistemi di rilevamento e infrastruttura diffusi, oltre ad alimentare dispositivi consumer indossabili.

"A causa del gran numero di dispositivi in ​​fase di sviluppo, le persone hanno bisogno di uno standard per giudicare le prestazioni di questi nanogeneratori, " Ha detto Wang. Ha notato che gli standard hanno permesso a tecnologie come il fotovoltaico e i dispositivi termoelettrici di avanzare, sebbene le prestazioni dei dispositivi TENG siano più difficili da quantificare a causa delle diverse opzioni di design e materiali disponibili.

Nella loro carta, Il team di Wang propone una figura di merito generale che può essere utilizzata per quantificare la potenziale produzione di energia dei dispositivi TENG. La figura di merito generale è costituita da informazioni provenienti da altre due fonti:le capacità della specifica struttura TENG utilizzata, e la densità di carica superficiale fornita dai materiali specifici scelti per costruire il dispositivo. L'output viene confrontato con gli input di energia meccanica per fornire un confronto dell'efficienza.

Queste misurazioni si basano su grafici dell'accumulo di tensione e delle cariche elettriche trasferite totali da ciascun dispositivo. Le cifre strutturali di merito sono derivate da calcoli teorici per ciascuna delle quattro principali modalità del nanogeneratore, più risultati sperimentali prodotti da dispositivi TENG inseriti in un circuito con un interruttore e un carico elettrico. La figura di merito dei materiali dipende dalle misurazioni sperimentali della densità di carica superficiale eseguite con un apparato sperimentale che utilizza metallo liquido per raccogliere la carica superficiale.

Le variazioni nelle strutture TENG consentono una varietà di applicazioni a seconda della fonte di energia meccanica. I quattro gruppi principali includono (1) modalità di separazione verticale dei contatti, (2) modalità di scorrimento laterale, (3) modalità a singolo elettrone, e (4) modalità a strato triboelettrico indipendente. Esistono anche combinazioni ibride di queste principali modalità strutturali.

La modalità di separazione dei contatti, Per esempio, è alimentato da una forza motrice periodica che provoca contatti ripetuti, e poi separazione, tra due materiali dissimili che hanno elettrodi rivestiti sulle superfici superiore e inferiore. Il modello a scorrimento laterale utilizza due superfici che scorrono brevemente insieme, poi separato, generando una carica.

"Possiamo calcolare per le quattro modalità quali sono le dimensioni e le forme migliori, e la migliore potenza che ci si può aspettare per una specifica figura strutturale di merito, "Ha spiegato Wang.

Le scelte dei materiali testate includono etilene propilene fluorurato, Kapton, fluoruro di polivinilidene polarizzato, polietilene, gomma naturale e cellulosa.

Le tecniche di misurazione e teoriche sono state sviluppate dal borsista post-dottorato Yunlong Zi e dallo studente laureato Simiao Niu, entrambi i membri del gruppo di ricerca di Wang. Nello sviluppo degli standard proposti, i ricercatori hanno considerato ciò che era già stato fatto nella definizione degli standard per i motori termici e altre tecnologie.

"Per i generatori triboelettrici, perché l'input meccanico è vario, hai diversi tipi di misurazioni per valutare le prestazioni, " ha detto Zi. "Queste cifre di merito sono notevolmente più complicate di quanto sarebbe necessario per caratterizzare le prestazioni delle celle solari, Per esempio."

La pubblicazione degli standard proposti è un primo passo in quello che Wang si aspetta essere un lungo processo per ottenere l'accettazione. Ha intenzione di trascorrere i prossimi mesi spiegando gli standard ad altri gruppi di ricerca che sviluppano dispositivi TENG.

Stima che potrebbero esserci 60 gruppi di ricerca in tutto il mondo che lavorano sui dispositivi TENG, e si aspetta che il numero cresca man mano che i nanogeneratori diventano più sofisticati e potenti.

"Man mano che l'elettronica indossabile diventa più popolare e alla moda, avremo bisogno di un modo migliore per alimentarli, " Wang ha detto. "I nanogeneratori triboelettrici possono svolgere un ruolo importante in questo. Abbiamo dedicato molto tempo a migliorare l'efficienza energetica, e il campo si sta rapidamente espandendo".

In definitiva, Egli ha detto, le norme potrebbero essere modificate anche per i generatori piezoelettrici e altri sistemi progettati per produrre elettricità dal movimento meccanico.