Meer dan 60 onderzoeksgroepen wereldwijd ontwikkelen nu varianten van de tribo-elektrische nanogenerator (TENG), die mechanische omgevingsenergie omzet in elektriciteit voor het aandrijven van draagbare elektronica, sensornetwerken, implanteerbare medische apparaten en andere kleine systemen.

Om een ​​middel te bieden voor het vergelijken en selecteren van deze energie-oogstende nanogeneratoren voor specifieke toepassingen, de onderzoeksgroep van het Georgia Institute of Technology die de TENG-technologie pionierde, heeft nu een reeks normen voorgesteld voor het kwantificeren van de prestaties van apparaten. Het voorstel evalueert zowel de structurele als de materiaalprestaties van de vier belangrijkste typen TENG-apparaten.

"Tribo-elektrische nanogeneratoren zijn een nieuwe energietechnologie die een fenomenaal potentieel heeft laten zien, " zei Zhong Lin Wang, een Regents-professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Hier, we hebben normen voorgesteld waarmee de prestaties van deze apparaten kunnen worden gekwantificeerd en vergeleken. Deze normen zullen nuttig zijn voor academische onderzoekers die de apparaten ontwikkelen en voor toekomstige industriële toepassingen van de nanogeneratoren."

De voorgestelde normen worden beschreven in een artikel dat op 25 september in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie .

Tribo-elektrische nanogeneratoren gebruiken een combinatie van het tribo-elektrische effect en elektrostatische inductie om een ​​kleine hoeveelheid elektrisch vermogen te genereren uit mechanische beweging zoals rotatie, glijden of trillen. Het tribo-elektrisch effect maakt gebruik van het feit dat bepaalde materialen elektrisch geladen worden nadat ze in bewegend contact komen met een oppervlak van een ander materiaal. De elektriciteit die wordt opgewekt door TENG-apparaten kan batterijen vervangen of aanvullen voor een breed scala aan potentiële toepassingen.

Ontwikkeld in de afgelopen jaren, de technologie is zo ver gevorderd dat ze kleine elektronische apparaten van stroom kan voorzien, mogelijk wijdverbreide detectie- en infrastructuursystemen mogelijk maken - evenals het voeden van draagbare consumentenapparaten.

"Vanwege het grote aantal apparaten dat wordt ontwikkeld, mensen moeten een standaard hebben om de prestaties van deze nanogeneratoren te beoordelen, " zei Wang. Hij merkte op dat normen technologieën zoals fotovoltaïsche en thermo-elektrische apparaten vooruit hebben geholpen, hoewel de prestaties van TENG-apparaten moeilijker te kwantificeren zijn vanwege de verschillende beschikbare ontwerp- en materiaalopties.

In hun krant Wang's team stelt een algemene verdienste voor die kan worden gebruikt om de potentiële energie-output van de TENG-apparaten te kwantificeren. De algemene verdienste bestaat uit informatie uit twee andere bronnen:de mogelijkheden van de specifieke TENG-structuur die wordt gebruikt, en de oppervlakteladingsdichtheid die wordt verschaft door de specifieke materialen die zijn gekozen om het apparaat te construeren. De output wordt vergeleken met de mechanische energie-input om een ​​efficiëntievergelijking te maken.

Deze metingen zijn gebaseerd op grafieken van de spanningsopbouw en de totale overgedragen elektrische ladingen van elk apparaat. De structurele cijfers van verdienste zijn afgeleid van theoretische berekeningen voor elk van de vier belangrijkste nanogeneratormodi, plus experimentele resultaten geproduceerd door TENG-apparaten die in een circuit zijn geplaatst met een schakelaar en een elektrische belasting. De mate van verdienste van materialen hangt af van experimentele metingen van de oppervlakteladingsdichtheid die zijn uitgevoerd met een experimentele opstelling die vloeibaar metaal gebruikt om de oppervlaktelading te verzamelen.

Variaties in TENG-structuren maken een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk, afhankelijk van de bron van mechanische energie. De vier hoofdgroepen omvatten (1) verticale contactscheidingsmodus, (2) laterale schuifmodus, (3) single-elektron modus, en (4) vrijstaande tribo-elektrische laagmodus. Er zijn ook hybride combinaties van deze belangrijke structurele modi.

De contactscheidingsmodus, bijvoorbeeld, wordt aangedreven door een periodieke drijvende kracht die herhaaldelijk contact veroorzaakt, en dan scheiding, tussen twee ongelijke materialen met gecoate elektroden aan de boven- en onderkant. Het laterale schuifmodel maakt gebruik van twee oppervlakken die kort naar elkaar schuiven, dan scheiden, het genereren van een lading.

"We kunnen voor de vier modi berekenen wat de beste maten en vormen zijn, en het beste vermogen dat u kunt verwachten voor een specifieke structurele prestatie, ' legde Wang uit.

De geteste materiaalkeuzes omvatten gefluoreerd ethyleenpropyleen, Kapton, gepolariseerd polyvinylideenfluoride, polyethyleen, natuurlijk rubber en cellulose.

De meet- en theoretische technieken zijn ontwikkeld door postdoctoraal fellow Yunlong Zi en afgestudeerde student Simiao Niu, beide leden van Wang's onderzoeksteam. Bij het ontwikkelen van hun voorgestelde normen, de onderzoekers keken naar wat er al was gedaan bij het vaststellen van normen voor warmtemotoren en andere technologieën.

"Voor tribo-elektrische generatoren, omdat de mechanische invoer gevarieerd is, je hebt verschillende soorten metingen om de prestaties te evalueren, "zei Zi. "Deze verdiensten zijn aanzienlijk gecompliceerder dan nodig zou zijn om de prestaties van zonnecellen te karakteriseren, bijvoorbeeld."

Het publiceren van de voorgestelde normen is een eerste stap in wat Wang verwacht een lang proces van acceptatie te worden. Hij is van plan de komende maanden de normen uit te leggen aan andere onderzoeksgroepen die TENG-apparaten ontwikkelen.

Hij schat dat er over de hele wereld 60 onderzoeksgroepen aan TENG-apparaten kunnen werken, en hij verwacht dat dat aantal zal toenemen naarmate de nanogeneratoren geavanceerder en krachtiger worden.

"Naarmate draagbare elektronica populairder en modieuzer wordt, we hebben een betere manier nodig om ze van stroom te voorzien, Wang zei. "Tribo-elektrische nanogeneratoren kunnen daarin een grote rol spelen. We hebben veel tijd besteed aan het verbeteren van de energie-efficiëntie, en het veld breidt zich snel uit."

uiteindelijk, hij zei, de normen kunnen ook worden aangepast voor piëzo-elektrische generatoren en andere systemen die zijn ontworpen om elektriciteit te produceren uit mechanische beweging.