Gli scienziati hanno dedicato un intenso lavoro negli ultimi anni per convertire l'energia ambientale in elettricità per soddisfare le continue richieste di una fonte di energia più pulita e più sostenibile. La raccolta di energia meccanica ambientale come metodo ecologico è una soluzione promettente e svolge un ruolo significativo nella costruzione di dispositivi elettronici indossabili e reti di sensori nell'Internet of Things (IoT). Un nanogeneratore triboelettrico (TENG) è un autoalimentato, soluzione fattibile per convertire l'energia meccanica in elettricità e soddisfare in modo specifico la crescente domanda dell'internet delle cose (IoT).

Nel presente lavoro, Di Liu e collaboratori dei Dipartimenti di Nanoenergia e Nanosistemi, Scienze dei materiali e Ingegneria, e nanoscienza e tecnologia in Cina e negli Stati Uniti, ha sviluppato un TENG di nuova generazione per realizzare un'uscita di corrente costante accoppiando l'effetto di triboelettrificazione e la rottura elettrostatica. Hanno ottenuto una densità di carica triboelettrica (430 µC m ^-2 ), molto più alti di quelli con TENG convenzionale, che erano limitati dalla rottura elettrostatica. I risultati dello studio sono ora pubblicati in Progressi scientifici, promuovere la miniaturizzazione dei sistemi autoalimentati per l'uso nell'IoT e fornire una tecnica di cambio di paradigma per raccogliere energia meccanica.

Moduli di alimentazione leggeri e indossabili con elevate prestazioni di accumulo di energia sono desiderabili per la tecnologia indossabile nella scienza dei materiali. Possono essere convenzionalmente realizzati integrando direttamente un dispositivo di accumulo di energia ricaricabile, cioè una batteria o un supercondensatore nei tessuti. La raccolta di energia meccanica ha attirato molta attenzione esplorata attraverso le tecniche dei generatori elettromagnetici (EMG), nanogeneratori piezoelettrici (PENG) e nanogeneratori triboelettrici (TENG).

Mentre gli EMG si basano sulla legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, adatto per la produzione di energia su larga scala, I PENG possono convertire minuscole deformazioni fisiche in elettricità in autoalimentati, dispositivi su piccola scala. I TENG convenzionali si sono dimostrati convenienti, caratteristiche pulite e sostenibili, sulla base di effetti triboelettrici e induzione elettrostatica per convertire l'energia in elettricità. I TENG offrono anche leggerezza, taglia piccola, ampia scelta di materiali e alta efficienza anche alle basse frequenze.

I TENG convenzionali sono trattenuti a causa dei requisiti di un raddrizzatore (correttore), come un ponte raddrizzatore rotante per generare un'uscita CC, che ne limita la portabilità. Inoltre, I TENG alimentati in CA richiedono schermatura elettromagnetica attraverso l'integrazione del sensore, che può ridurre il grado della sua sistemazione in un dispositivo miniaturizzato. L'uscita impulsiva può dar luogo ad un fattore di cresta molto elevato, che è una metrica chiave per produrre instabilità che influenzano le prestazioni dell'accumulo di energia e dell'elettronica, dove si preferisce un input costante. Mentre un'uscita DC costante è stata realizzata molto recentemente utilizzando la tecnica del nanocontatto Schottky scorrevole, la tensione di uscita era troppo bassa per pilotare direttamente l'elettronica. Nel presente lavoro, Liu et al. quindi inventato DC-TENG, affrontare questi problemi e generare DC costante accoppiando direttamente l'effetto di triboelettrificazione e la rottura elettrostatica come tecnica di cambiamento di paradigma.

Il principio di funzionamento di DC-TENG si basava sulla triboelettrificazione o sul trasferimento di carica tra due superfici a contatto in ambienti ambientali, simile allo stesso principio naturale dietro l'effetto ambra e il fulmine. Per questo, Liu et al. fulmine artificiale indotto con un elettrodo raccoglitore di carica (CCE), elettrodo di attrito (FE) e strato triboelettrico nella configurazione DC-TENG di nuova generazione. Nell'esperimento, gli scienziati hanno utilizzato elettrodi di rame sia per CCE che per FE, e un film di politetrafluoroetilene (PTFE) attaccato a un foglio acrilico come strato triboelettrico.

Sulla base dell'allineamento iniziale tra gli elettrodi e il film di PTFE, Liu et al. ha generato una carica elettrica quasi permanente sul film di PTFE. Hanno spostato un cursore nel mezzo per creare un campo elettrostatico molto elevato tra il CCE e il film di PTFE caricato negativamente. Quando il campo elettrostatico ha superato la rigidità dielettrica tra di loro ad un valore approssimativo di 3 kV/mm, l'aria vicina si è parzialmente ionizzata per iniziare a condurre. Questa tecnica ha portato al flusso di elettroni dal PTFE al CCE nell'esperimento per indurre razionalmente la rottura dell'aria e creare un fulmine artificiale.

A differenza dei TENG convenzionali che non sfruttano l'energia della rottura dell'aria, Liu et al. ha utilizzato il CCE per riscuotere efficacemente queste spese. In breve, nella loro configurazione sperimentale, gli elettroni sul FE trasferiti al PTFE tramite triboelettrificazione, quindi trasportato al CCE tramite scarica elettrostatica e infine al FE tramite un circuito esterno. Quando il dispositivo di scorrimento è tornato allo stato iniziale nell'esperimento, non c'era flusso di corrente nel circuito esterno a causa dell'assenza di una differenza di potenziale attraverso il film CCE e PTFE.

In questo modo, gli scienziati hanno prodotto DC ciclico spostando periodicamente il cursore, hanno misurato la corrente continua risultante dalla rottura dielettrica unidirezionale del condensatore per produrre una corrente di conduzione continua. Liu et al. ha mostrato che la quantità di carica raccolta dal DC-TENG tramite rottura dielettrica era maggiore di quella raccolta dal TENG convenzionale utilizzando l'induzione elettrostatica e mirava a utilizzare questo nuovo paradigma come prototipo per raccogliere l'energia del fulmine. Intendono indagare il meccanismo dettagliato del processo e formare un modello teorico preciso in futuro.

In questo studio, Liu et al. progettato due modalità di DC-TENG:una modalità scorrevole e una modalità rotante. Per implementare il processo di scorrimento, gli scienziati hanno utilizzato un motore lineare e un motore commerciale per guidare il processo rotativo. Hanno utilizzato immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) per visualizzare gli elettrodi a nanofili (CCE e FE) sulla superficie in PTFE. Quando hanno spostato la diapositiva lungo lo strato elettrificato, gli scienziati hanno catturato il fenomeno della scarica corona come un bagliore verde durante la rottura dell'aria tra PTFE e CCE come prova concreta della rottura dell'aria durante il funzionamento del dispositivo.

Hanno misurato il potenziale superficiale del PTFE per mostrare la scarica di carica elettrostatica per rottura elettrostatica utilizzando un voltmetro elettrostatico Isoprobe, seguita dalla misurazione della corrente di cortocircuito e delle cariche trasferite del DC-TENG, utilizzando un elettrometro programmabile. Per misurare la tensione a circuito aperto della modalità a scorrimento DC-TENG, hanno usato un oscilloscopio a domini misti:tutti i risultati hanno mostrato caratteristiche di una buona uscita CC.

Liu et al. ha mostrato che la densità di carica iniziale del DC-TENG era più alta (330 µC m ^-2 ) rispetto al TENG convenzionale (~ 70 µC m ^-2 ). Per aumentare la densità di carica, gli scienziati hanno introdotto nanostrutture sulle superfici in PTFE utilizzando processi al plasma accoppiati induttivamente per modificare il materiale e ottenere un aumento della densità di carica di sei volte a 430 µC m ^-2 . Il lavoro ha mostrato che le prestazioni di output del sistema potrebbero essere migliorate con una semplice ottimizzazione strutturale della superficie del film di PTFE. Quando Liu et al. misurato la corrente di uscita a lungo termine del DC-TENG dopo 3000 cicli, la corrente di uscita CC è rimasta quasi stabile, confermando un'ottima stabilità del setup.

In parallelo, gli scienziati hanno misurato in modo simile le prestazioni di uscita della modalità rotativa DC-TENG. La struttura del setup conteneva uno statore e un rotatore, e proprio come la modalità di scorrimento DC-TENG i Fes e CCE erano collegati. Come prima, gli scienziati hanno condotto misurazioni per mostrare come la generazione di elettricità si basasse sulla rotazione relativa tra il rotatore e lo statore per prestazioni migliori rispetto al DC-TENG convenzionale.

A causa della loro continua generazione di uscita CC, Liu et al. hanno dimostrato le applicazioni di nuovi DC-TENG per pilotare dispositivi elettronici senza utilizzare un raddrizzatore. Per la funzionalizzazione del dispositivo, i DC-TENG autoalimentati erano in grado di pilotare l'elettronica direttamente convertendo l'energia meccanica. Come prova di principio, gli scienziati hanno formato un orologio elettronico azionato direttamente da una modalità di scorrimento DC-TENG e una calcolatrice scientifica azionata da un DC-TENG rotante. Inoltre, hanno formato una serie di lampadine a diodi emettitori di luce (LED), che potrebbe essere illuminato dalla modalità rotativa di DC-TENG, e a differenza dei LED pilotati tramite TENG convenzionale, queste luci a LED sono rimaste senza sfarfallio ad una luminescenza costante.

In questo modo, Liu et al. ha ottenuto la conversione dell'energia meccanica in corrente di uscita costante progettando DC-TENG di nuova generazione basati sull'effetto accoppiato della triboelettrificazione e della rottura elettrostatica. Hanno usato una modalità scorrevole DC-TENG e una modalità rotante DC-TENG per dimostrare il meccanismo, risultando in un valore di densità di carica molto più alto (430 µC m ^-2 ) rispetto a quello del dispositivo convenzionale. Il fattore di cresta del TENG rotante era vicino a uno, che indica un'uscita di corrente costante.

Il nuovo DC-TENG è una strategia efficace per raccogliere energia meccanica ed elettronica di potenza o caricare un'unità di accumulo di energia direttamente senza un raddrizzatore. Il cambio di paradigma nella conversione dell'energia meccanica in elettricità può anche promuovere la miniaturizzazione dei sistemi autoalimentati nell'elettronica indossabile e delle reti di sensori nell'IoT. Liu et al. immagina ulteriormente il dispositivo come un prototipo per raccogliere l'energia dei fulmini in futuro.

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