Ανάπτυξη ενός εκτατού θεριστή ενέργειας υψηλής απόδοσης
Ο τριβοηλεκτρισμός, μια από τις πιο συχνές εμπειρίες στην καθημερινή μας ζωή, είναι ένας ηλεκτρισμός που προκαλείται από την επαφή κατά τον οποίο δύο επιφάνειες φορτίζονται ηλεκτρικά όταν έρχονται σε επαφή και χωρίζονται. Σε συνδυασμό του τριβοηλεκτρικού φαινομένου και της ηλεκτροστατικής επαγωγής, η γεννήτρια τριβοηλεκτρικής ενέργειας (TEG) έχει διερευνηθεί για τη μετατροπή της μικρής και ακανόνιστης μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.
Το TEG έχει μοναδικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες προσεγγίσεις συλλογής ενέργειας, όπως υψηλή απόδοση μετατροπής ισχύος, μεγάλη πυκνότητα ισχύος, χαμηλό κόστος κατασκευής, ελαφρύ βάρος και μεγάλη ποικιλία υλικών. Τα τελευταία πέντε χρόνια έχει σημειωθεί αξιοσημείωτη πρόοδος στο TEG. Επί του παρόντος, με ένα TEG μεγέθους παλάμης, είναι δυνατό να ανάψετε εκατοντάδες διόδους εκπομπής φωτός (LED) και να φορτίσετε μια μικρή μπαταρία Li-ion. Με την αναδυόμενη ανάγκη για ελαστικά και φορητά ηλεκτρονικά είδη, η κατασκευή μαλακών παραμορφώσιμων ηλεκτρονικών συσκευών που κατασκευάζονται σε υποστρώματα από καουτσούκ έχει λάβει έντονο ενδιαφέρον. Σε σύγκριση με άλλες προσεγγίσεις συλλογής ενέργειας, όπως ηλιακά κύτταρα, θερμοηλεκτρικές και πιεζοηλεκτρικές συσκευές, το TEG είναι πιο κατάλληλο για την κατασκευή παραμορφώσιμων γεννητριών ενέργειας έτσι ώστε το TEG να μπορεί να μετατρέπει τις ακανόνιστες κινήσεις του σώματος σε ηλεκτρική ενέργεια.
Πολλοί ερευνητές έχουν επιχειρήσει μια ποικιλία μεθόδων για να αυξήσουν την ηλεκτρική ισχύ που λαμβάνεται από το TEG. Το κύριο ενδιαφέρον τους ήταν πώς να αυξήσουν τον αριθμό των επιφανειακών φορτίων που δημιουργούνται από τις επαφές. Ωστόσο, η ηλεκτρική ενέργεια που συλλέγεται από το TEG δεν λαμβάνεται από τα παραγόμενα επιφανειακά φορτία, αλλά από τα επαγόμενα φορτία στα ηλεκτρόδια συλλογής, επομένως η αποτελεσματική επαγωγή των παραγόμενων επιφανειακών φορτίων στο ηλεκτρόδιο είναι επίσης σημαντική για τη συλλογή μεγάλης ηλεκτρικής ισχύος. Δυστυχώς, μέχρι στιγμής, οι ερευνητές που μελετούν το TEG έχουν παραβλέψει τη σημασία της ηλεκτροστατικής επαγωγής.
Στην τελευταία εργασία, ο Unyong Jeong και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTECH) ερεύνησαν την αποτελεσματική επαγωγή ηλεκτροστατικού φορτίου στο TEG. Αποκάλυψαν ότι τα ηλεκτροστατικά επιφανειακά φορτία παρασύρονται στο ηλεκτρόδιο από το ηλεκτρικό πεδίο και συνδυάζονται με τα επαγόμενα αντίθετα φορτία στο ηλεκτρόδιο. Τα επιφανειακά φορτία εξαφανίζονται με αυτόν τον συνδυασμό, επομένως η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς γίνεται πολύ μικρότερη από την αναμενόμενη και η φόρτιση σε έναν πυκνωτή είναι αργή. Η μελέτη τους δείχνει ότι η παρεμπόδιση του συνδυασμού φορτίου είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική συλλογή ενέργειας. Παρουσίασαν έναν απλό και αποτελεσματικό τρόπο που όχι μόνο βελτιώνει σημαντικά την ισχύ εξόδου του TEG, αλλά παρέχει επίσης στο TEG μεγάλη δυνατότητα τάνυσης.
Η ιδέα αυτού του άρθρου ήταν να προστεθεί ένα ελαστικό μονωτικό πολυμερές ενδιάμεσο στρώμα μεταξύ της τριβοηλεκτρικής επιφάνειας επαφής και του ηλεκτροδίου. Ως ενδιάμεσο στρώμα χρησιμοποίησαν ένα ελαστικό σιλικόνης από πολυδιμενθυλοσιλοξάνη (PDMS). Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους με βάση τα θεωρητικά μοντέλα, το ενδιάμεσο στρώμα PDMS έχει υψηλή πυκνότητα παγίδων φορτίου βαθιάς ενέργειας σε σύγκριση με τα στρώματα επαφής πολυ(βινυλιδενοφθοριδίου) (PVDF) και νάιλον 6. Οι παγίδες βαθιάς φόρτισης στο λεπτό ενδιάμεσο στρώμα PDMS απέτρεψαν αποτελεσματικά τον συνδυασμό φόρτισης και αύξησαν το απόλυτο επιφανειακό δυναμικό των τριβοηλεκτρικών επιφανειών διατηρώντας τα φορτία για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Ως αποτέλεσμα, η απλή προσθήκη του ενδιάμεσου στρώματος PDMS ενίσχυσε σημαντικά την πυκνότητα ισχύος εξόδου των TEG (20,8 W/mby ήπιο πάτημα), η οποία είναι 173 φορές αύξηση σε σύγκριση με τα TEG χωρίς το ενδιάμεσο στρώμα. Εκμεταλλευόμενος τον ελαστικό χαρακτήρα του ενδιάμεσου στρώματος PDMS, αυτή η μελέτη δείχνει ένα τεντώσιμο TEG υψηλής απόδοσης που δείχνει σταθερή απόδοση σε επιμήκυνση 50% κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων τάνυσης. Το τεντώσιμο TEG ανάβει 80 εμπορικές λυχνίες LED όταν χτυπιέται απαλά από ένα δάχτυλο. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης παρέχουν επιστημονικές γνώσεις για το σχεδιασμό υλικών για την επίτευξη ελαστικών αυτοτροφοδοτούμενων ηλεκτρονικών συστημάτων υψηλής απόδοσης.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Adding a stretchable deep-trap interlayer for high-performance stretchable triboelectric nanogenerators, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nano Energy . Ο αντίστοιχος συγγραφέας είναι ο καθηγητής Unyong Jeong στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTCH), Κορέα. Ο Dong Wook Kim στην POSTECH είναι ο πρώτος συγγραφέας αυτού του έργου.
