Nanogenerator - Nanogenerator

Un nanogenerator este un tip de tehnologie care convertește energia mecanică / termică produsă de schimbarea fizică la scară mică în electricitate . Un Nanogenerator are trei abordări tipice: nano-generatoare piezoelectrice , triboelectrice și piroelectrice . Atât nanogeneratoarele piezoelectrice, cât și cele triboelectrice pot converti energia mecanică în electricitate. Cu toate acestea, nanogeneratorii piroelectrici pot fi folosiți pentru recoltarea energiei termice dintr-o fluctuație de temperatură dependentă de timp .

Nanogeneratorii sunt denumiți ca un câmp care folosește curentul de deplasare ca forță motrice pentru conversia eficientă a energiei mecanice în energie electrică / semnal, fără a lua în considerare dacă se utilizează sau nu nanomateriale.

Teoria nanogeneratorilor din ecuațiile lui Maxwell

Ecuațiile lui Maxwell au următoarele forme de bază:

$${\ displaystyle \ nabla \ cdot D = \ rho}$$

( 1.1 )

$${\ displaystyle \ nabla \ cdot B = 0}$$

( 1.2 )

$${\ displaystyle \ nabla \ times E = - {\ frac {\ partial B} {\ partial t}}}$$

( 1.3 )

$${\ displaystyle \ nabla \ times H = J + {\ frac {\ partial D} {\ partial t}}}$$

( 1.4 )

unde curentul de deplasare ,, a fost introdus pentru prima dată de Maxwell în 1861 pentru a satisface ecuația de continuitate pentru sarcinile electrice. Vectorul de deplasare electrică D este dat de , și pentru un mediu dielectric izotrop ,, astfel . Densitatea curentului de deplasare este prezentată ca ${\ displaystyle \ partial D / \ partial t}$${\ displaystyle D = \ varepsilon _ {0} E + P}$${\ displaystyle P = (\ varepsilon - \ varepsilon _ {0}) E}$${\ displaystyle D = \ varepsilon E}$

$${\ displaystyle J_ {D} = {\ frac {\ partial D} {\ partial t}} = \ varepsilon {\ frac {\ partial E} {\ partial t}}}$$

( 2.1 )

Recent, ecuațiile lui Maxwell au fost extinse pentru a calcula puterea de ieșire a nanogeneratorilor. Un termen suplimentar P _s - a adăugat inițial în D de către Wang , în 2017, unde P _s este polarizarea creată de sarcinile electrostatice de suprafață datorită mecanice de declanșare, diferit de câmp electric indus mediu de polarizare P . D poate fi rescrisă ca , astfel încât densitatea curentului de deplasare se obține prin ${\ displaystyle D = \ varepsilon _ {0} E + P + P_ {s}}$

$${\ displaystyle J_ {D} = {\ frac {\ partial D} {\ partial t}} = \ varepsilon {\ frac {\ partial E} {\ partial t}} + {\ frac {\ partial P_ {s} } {\ partial t}}}$$

( 2.2 )

Apoi ecuațiile lui Maxwell pot fi extinse ca

$${\ displaystyle \ varepsilon \ nabla \ cdot E = \ rho - \ nabla \ cdot P_ {s}}$$

( 3.1 )

$${\ displaystyle \ nabla \ cdot B = 0}$$

( 3.2 )

$${\ displaystyle \ nabla \ times E = - {\ frac {\ partial B} {\ partial t}}}$$

( 3.3 )

$${\ displaystyle \ nabla \ times H = J + \ varepsilon {\ frac {\ partial E} {\ partial t}} + {\ frac {\ partial P_ {s}} {\ partial t}}}$$

( 3.4 )

Aceste ecuații sunt pietrele de temelie pentru derivarea caracteristicilor de ieșire ale nanogeneratorilor, din care au fost derivate toate curentul și tensiunea de ieșire și radiația electromagnetică aferentă a unui nanogenerator.

Teoria generală a polarizării P _s

Polarizarea P _s creată de sarcinile electrostatice de suprafață poate fi exprimată prin următoarea ecuație, la definirea funcției densității sarcinii σ _s ( r , t ) pe suprafața mediului printr-o funcție de formă de f ( r ,  t ) = 0.

$${\ displaystyle \ nabla \ cdot P_ {s} = - \ sigma _ {s} (r, t) \ delta (f (r, t))}$$

( 4 )

unde funcția delta δ ( f ( r , t )) este introdusă pentru a limita forma media. Prin rezolvarea potențialului electric scalar din sarcinile de suprafață ${\ displaystyle \ phi _ {s} (r, t)}$

$${\ displaystyle \ phi _ {s} (r, t) = {\ frac {1} {4 \ pi}} \ int {\ frac {\ sigma _ {s} (r ', t')} {| r -r '|}} ds'}$$

( 5 )

a P _s pot fi obținute prin

$${\ displaystyle P_ {s} = - \ nabla \ phi _ {s} (r, t) = {\ frac {1} {4 \ pi}} \ int \ sigma _ {s} (r ', t') {\ frac {r-r '} {| r-r' | ^ {3}}} ds '+ {\ frac {1} {4 \ pi c}} \ int {\ frac {\ partial \ sigma _ { s} (r '', t ')} {\ partial t'}} {\ frac {r-r '} {| r-r' | ^ {2}}} ds '}$$

( 6 )

Aceasta este expresia generală a densității de polarizare a suprafeței P _s în ecuație. (3.1) și (3.4).

Ecuația curentă de transport pentru nanogeneratori

Curentul de deplasare este obținut de o integrală de suprafață a lui J _D

$${\ displaystyle I_ {D} = \ int J_ {D} \ cdot ds = \ int {\ frac {\ partial D} {\ partial t}} \ cdot ds = {\ frac {\ partial} {\ partial t} } \ int \ nabla \ cdot D \, dr = {\ frac {\ partial} {\ partial t}} \ int \ rho \, dr = {\ frac {\ partial Q} {\ partial t}}}$$

( 7 )

unde Q este cantitatea totală de încărcare gratuită pe electrod. La nanogeneratori, curentul de deplasare domină circuitul intern, în timp ce curentul de conducție capacitiv domină circuitul extern.

Comportamentul curent de transport al oricărei configurații de nanogeneratori poate fi derivat prin următoarea ecuație generală

$${\ displaystyle \ phi _ {AB} = \ int _ {A} ^ {B} E \ cdot dL = {\ frac {\ partial Q} {\ partial t}} R}$$

( 8 )

unde este căderea potențială de la electrodul A la electrodul B (Fig. 1), iar integrala d L este peste o cale de la punctul A la punctul B. ${\ displaystyle \ phi _ {AB}}$

Ecuația de transport curentă pentru un nanogenerator piezoelectric (Fig. 2a) este

$${\ displaystyle RA {\ frac {d \ sigma} {dt}} + z {\ frac {\ sigma - \ sigma _ {p}} {\ varepsilon}} = 0}$$

( 9 )

unde A este aria electrodului, z este grosimea filmului piezoelectric, iar σ _p este densitatea sarcinii de polarizare.

Ecuația de transport curentă pentru nanogeneratorul triboelectric în modul de separare a contactelor (Fig. 2b) este

$${\ displaystyle AR {\ frac {\ partial \ sigma (z, t)} {\ partial t}} = - \ sigma (z, t) [d_ {1} / \ varepsilon _ {1} + d_ {2} / \ varepsilon _ {2}] - H (t) [\ sigma (z, t) - \ sigma _ {T}] / \ varepsilon _ {0}}$$

( 10 )

unde H ( t ) este o funcție dependentă de rata de contact dintre cele două dielectrice. Pe baza ecuației de transport, curentul de deplasare, potențialul electric, curentul de ieșire și puterea de ieșire pot fi calculate pentru patru moduri de bază TENG.

Proiecții tehnologice din curentul de deplasare al lui Maxwell

Primul termen al curentului de deplasare propus de Maxwell dă naștere teoriei undelor electromagnetice, iar inducția electromagnetică determină apariția antenei, radio, telegramă, TV, radar, cuptor cu microunde, comunicații fără fir și tehnologie spațială. Unificarea electromagnetică produce teoria luminii, punând bazele teoretice pentru invenția laserului și dezvoltarea fotonicii. Prima componentă a condus dezvoltarea mondială în tehnologia comunicațiilor și a laserului în secolul trecut. Al doilea termen propus pentru prima dată de Wang a pus bazele nanogeneratorilor. Adăugarea unui termen de în curentul de deplasare și astfel în ecuațiile lui Maxwell extinde aplicațiile lor la energie! Nanogeneratorii sunt o altă aplicație importantă a ecuațiilor lui Maxwell la energie și senzori după teoria și tehnologia undelor electromagnetice. ${\ displaystyle \ varepsilon {\ frac {\ partial E} {\ partial t}}}$${\ displaystyle {\ frac {\ partial P_ {s}} {\ partial t}}}$${\ displaystyle \ partial P_ {s} / \ partial t}$

Nanogenerator piezoelectric

Un nanogenerator piezoelectric este un dispozitiv de recoltare a energiei capabil să transforme energia cinetică externă în energie electrică prin acțiunea unui material piezoelectric nano-structurat . Deși definiția sa poate include orice tip de dispozitive de recoltare a energiei care utilizează nano-structuri pentru a converti diferite tipuri de energie ambientală (de exemplu, energie solară și energie termică ), este utilizată în general pentru a indica dispozitive de recoltare a energiei cinetice care utilizează material piezoelectric nano-scalat încă de la prima sa introducere în 2006.

Deși se află încă în stadiile incipiente de dezvoltare, tehnologia a fost privită ca un progres potențial către o miniaturizare suplimentară a recoltatoarelor convenționale de energie, ceea ce poate duce la integrarea facilă cu alte tipuri de recoltatoare de energie și la funcționarea independentă a dispozitivelor electronice mobile cu o preocupare redusă pentru surse de energie.

Mecanism

Principiul de funcționare al nanogeneratorului va fi explicat pentru 2 cazuri diferite: forța exercitată perpendicular și paralel cu axa nanofirului.

Principiul de funcționare pentru primul caz este explicat de un nanofil crescut vertical supus vârfului în mișcare laterală. Când o structură piezoelectrică este supusă forței externe de vârful în mișcare, deformarea are loc în întreaga structură. Efectul piezoelectric va crea câmpul electric în interiorul nanostructurii ; partea întinsă cu tensiunea pozitivă va prezenta potențialul electric pozitiv, în timp ce partea comprimată cu tensiunea negativă va arăta potențialul electric negativ. Acest lucru se datorează deplasării relative a cationilor în raport cu anionii din structura sa cristalină. Ca rezultat, vârful nanofirului va avea o distribuție electrică a potențialului pe suprafața sa, în timp ce fundul nanofirului este neutralizat, deoarece este împământat. Tensiunea maximă generată în nanofir poate fi calculată prin următoarea ecuație:

unde κ ₀ este permitivitatea în vid, κ este constanta dielectrică, e ₃₃ , e ₁₅ și e ₃₁ sunt coeficienții piezoelectrici, ν este raportul Poisson, a este raza nanofirului, l este lungimea nanofirului și ν _max este devierea maximă a vârfului nanofirului.

Contactul electric joacă un rol important în pomparea sarcinilor din suprafața vârfului. Contactul Schottky trebuie format între electrod contor și vârful nanowire , deoarece contactul ohmic va neutraliza câmpul electric generat la vârf. Pentru a forma un contact schottky eficient , afinitatea electronică (E _a ) trebuie să fie mai mică decât funcția de lucru ( φ ) a metalului care compune contraelectrodul. Pentru cazul ZnO nanowire cu afinitatea de electroni de 4,5 eV, Pt ( φ = 6.1eV) este un metal adecvat pentru a construi contactul Schottky . Prin construirea contactului schottky , electronii vor trece la contraelectrod de la suprafața vârfului atunci când contraelectrodul este în contact cu regiunile potențialului negativ, în timp ce nu va fi generat curent atunci când este în contact cu regiunile din potențialul pozitiv, în cazul nanostructurii semiconductive de tip n ( structura semiconductivă de tip p va prezenta fenomenul inversat, deoarece gaura este mobilă în acest caz). Formarea contactului schottky contribuie, de asemenea, la generarea semnalului de ieșire de curent continuu în consecință.

Pentru cel de-al doilea caz, este luat în considerare un model cu un nanofir crescut vertical stivuit între contactul ohmic din partea inferioară și contactul schottky din partea superioară. Când forța este aplicată către vârful nanofirului, compresivul uniaxial este generat în nanofir. Datorită efectului piezoelectric , vârful nanofirului va avea un potențial piezoelectric negativ , crescând nivelul Fermi la vârf. Deoarece electronii vor curge apoi din vârf în partea de jos prin circuitul extern ca rezultat, potențialul electric pozitiv va fi generat la vârf. Contactul Schottky va baricada electronii transportate prin intermediul interfeței, prin urmare , menținând potențialul la vârf. Pe măsură ce forța este îndepărtată, efectul piezoelectric se diminuează și electronii vor reveni în partea de sus pentru a neutraliza potențialul pozitiv la vârf. Al doilea caz va genera semnal de ieșire de curent alternativ.

Configurație geometrică

În funcție de configurația nanostructurii piezoelectrice , cea mai mare parte a nanogeneratorului poate fi clasificată în 3 tipuri: VING , LING și "NEG". Totuși, există o configurație care nu se încadrează în categoriile menționate anterior, așa cum se menționează în alt tip.

Nanogenerator integrat cu nanofir vertical (VING) .

VING este o configurație tridimensională constând dintr-un teanc de 3 straturi în general, care sunt electrodul de bază, nanostructura piezoelectrică crescută vertical și contraelectrodul. Piezoelectric nanostructură este de obicei crescută din electrodul de bază prin diferite tehnici de sintetizare, care sunt apoi integrate cu contra electrod în contact mecanic integral sau parțial , cu vârful său.

După ce profesorul Zhong Lin Wang de la Georgia Institute of Technology a introdus o configurație de bază a VING în 2006, unde a folosit un vârf de microscop cu forță atomică (AFM) pentru a induce deformarea unui singur nanofir vertical ZnO , este urmată prima dezvoltare a VING în 2007. Primul VING utilizează contraelectrodul cu rețeaua periodică de suprafață asemănătoare matricilor vârfului AFM ca un electrod în mișcare. Deoarece contraelectrodul nu este în contact complet cu vârfurile nanofirului piezoelectric , mișcarea acestuia în plan sau în afara planului produsă de vibrația externă induce deformarea nanostructurii piezoelectrice , ducând la generarea distribuției potențialului electric. în interiorul fiecărui nanofir individual . Contra electrodul este acoperit cu metalul care formează contactul schottky cu vârful nanofirului , unde numai porțiunea comprimată a nanofirului piezoelectric ar permite electronilor acumulați să treacă prin bariera dintre vârful său și contraelectrod, în cazul tipului n nanofir . Caracteristicile de pornire și oprire ale acestei configurații arată capacitatea sa de a genera generație de curent continuu fără nicio cerință pentru redresorul extern .

În VING cu contact parțial, geometria contraelectrodului joacă un rol important. Contra electrodul plat nu ar induce deformarea suficientă a nanostructurilor piezoelectrice , mai ales atunci când contraelectrodul se deplasează în modul în plan. După geometria de bază care seamănă cu vârful AFM , au fost urmate câteva alte abordări pentru dezvoltarea facilă a contraelectrodului. Grupul profesorului Zhong Lin Wang a generat contraelectrod compus din nanoroduri ZnO utilizând tehnica similară utilizată pentru sintetizarea matricei de nanofire ZnO . Grupul profesorului Sang-Woo Kim de la Universitatea Sungkyunkwan (SKKU) și grupul Dr. Jae-Young Choi al Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) din Coreea de Sud au introdus contraelectrodul transparent în formă de bol, combinând aluminiu anodizat și tehnologia de galvanizare . De asemenea, au dezvoltat celălalt tip de contraelectrod folosind nanotubul de carbon cu perete unic ( SWNT ) pe substrat flexibil, care este nu numai eficient pentru conversia energiei, ci și transparent.

A fost sugerat și celălalt tip de VING. În timp ce împărtășește configurația geometrică identică cu cele menționate anterior, un astfel de VING are un contact mecanic complet între vârfurile nanofirelor și contraelectrodul. Această configurație este eficientă pentru aplicație în care forța este exercitată în direcția verticală (spre c axa piezoelectric nanowire ), și generează curent alternativ (AC) , spre deosebire de Vings cu contact parțial.

Nanogenerator integrat de nanofire lateral (LING) .

LING este o configurație bidimensională formată din trei părți: electrodul de bază, nanostructura piezoelectrică crescută lateral și electrodul metalic pentru contact schottky. În majoritatea cazurilor, grosimea peliculei de substrat este mult mai groasă decât diametrul nanostructurii piezoelectrice , astfel încât nanostructura individuală este supusă tensiunii de tracțiune pură.

LING este o expansiune a generatorului cu un singur fir (SWG), unde un nanofir aliniat lateral este integrat pe substratul flexibil. SWG este mai degrabă o configurație științifică utilizată pentru verificarea capacității de generare a energiei electrice a unui material piezoelectric și este adoptată pe scară largă în stadiul incipient al dezvoltării.

În ceea ce privește VING-urile cu contact mecanic complet, LING generează semnal electric de curent alternativ. Tensiunea de ieșire poate fi amplificată prin construirea unei matrice de LING conectate în serie pe un singur substrat, conducând la adăugarea constructivă a tensiunii de ieșire. O astfel de configurație poate duce la aplicarea practică a LING pentru eliminarea puterii la scară largă, de exemplu, valurile vântului sau oceanului.

Generatoare electrice nanocompozite (NEG) .

"NEG" este o configurație tridimensională care cuprinde trei părți principale: electrozii plăcilor metalice, nanostructura piezoelectrică crescută vertical și matricea polimerică care se umple între ele în nanostructura piezoelectrică .

NEG a fost introdus de Momeni și colab. S-a arătat că NEG are o eficiență mai mare în comparație cu configurația inițială a nanogeneratorului, pe care un nanofir ZnO va fi îndoit de un vârf AFM. De asemenea, se arată că oferă o sursă de energie cu o durabilitate mai mare.

Alt tip . Configurația geometrică asemănătoare țesăturii a fost sugerată de profesorul Zhong Lin Wang în 2008. Nanofilul piezoelectric este cultivat pe verticală pe cele două microfibre în direcția sa radială și sunt înfrânate pentru a forma un nanogenerator. Una dintre microfibre este acoperită cu metalul pentru a forma un contact schottky, servind ca contraelectrod al VING-urilor. Pe măsură ce microfibra mobilă este întinsă, deformarea nanostructurii are loc pe microfibra staționară, rezultând generarea de tensiune. Principiul său de funcționare este identic cu VING-urile cu contact mecanic parțial, generând astfel un semnal electric de curent continuu.

Materiale

Printre diferitele materiale piezoelectrice studiate pentru nanogenerator, multe dintre cercetări s-au concentrat asupra materialelor cu structură wurtzite precum ZnO , CdS și GaN . Cel mai mare avantaj al acestor materiale apare din tehnica de fabricație ușoară și rentabilă, sinteza hidrotermală . Deoarece sinteza hidrotermală poate fi realizată într-un mediu cu temperatură scăzută sub 100 ° C pe lângă creșterea verticală și cristalină, aceste materiale pot fi integrate în diferite substraturi cu îngrijorare redusă pentru caracteristicile sale fizice, cum ar fi temperatura de topire.

Eforturile de îmbunătățire a piezoelectricității nanofirului individual au dus, de asemenea, la dezvoltarea altor materiale piezoelectrice bazate pe structura Wurtzite . Profesorul Zhong Lin Wang de la Georgia Institute of Technology a introdus nanofirul ZnO de tip p . Spre deosebire de nanostructura semiconductivă de tip n , particula mobilă de tip p este o gaură, astfel comportamentul schottky este inversat față de cel al cazului de tip n; semnalul electric este generat din porțiunea nanostructurii unde sunt acumulate găurile. S-a demonstrat experimental că nanofirul ZnO de tip p poate genera semnalul de ieșire de aproape 10 ori mai mare decât cel al nanofirului ZnO de tip n .

De la ideea că materialul cu structura perovskit este cunoscut a avea mai eficient piezoelectric caracteristic , comparativ cu cea cu structura wurtzite , Bariu titanat (BaTiO ₃ ) nanofire a fost , de asemenea , studiat de profesorul Min-Feng Yu de la Universitatea din Illinois din Urbana Champaign . Semnalul de ieșire este de peste 16 ori mai mare decât de la un nanofir ZnO similar .

Profesorul Liwei Lin de la Universitatea din California, Berkeley a sugerat că PVDF poate fi aplicat și pentru a forma un nanogenerator. Fiind un polimer, PVDF utilizează un electrospinning în câmp aproape pentru fabricarea sa, care este mai degrabă o tehnică diferită în comparație cu alte materiale. Nanofibra poate fi scrisă direct pe substratul care controlează procesul și se așteaptă ca această tehnică să fie aplicată pentru formarea textilelor auto-alimentate pe bază de nanofibre . Cercetătorii de la SUTD au prezentat sinteza de succes a nanofibrelor ultra-lungi de niobat de potasiu (KNbO ₃ ) utilizând un proces de electrospinning în câmp îndepărtat asistat de sol-gel și le-au utilizat pentru a dezvolta un nanogenerator flexibil de înaltă tensiune.

Având în vedere că constanta piezoelectrică joacă un rol critic în performanța generală a unui nanogenerator piezoelectric, o altă direcție de cercetare pentru îmbunătățirea eficienței dispozitivului este găsirea de noi materiale cu răspuns piezoelectric mare. Niobatul de plumb-magneziu-titanatul de plumb (PMN-PT) este un material piezoelectric de generație următoare cu o constantă piezoelectrică super ridicată atunci când se obțin compoziția și orientarea ideale. În 2012, nanofirele PMN-PT cu o constantă piezoelectrică foarte mare au fost fabricate printr-o abordare hidro-termică și apoi asamblate într-un dispozitiv de recoltare a energiei. Constanta piezoelectrică record a fost îmbunătățită în continuare prin fabricarea unei nanocelete PMN-PT cu un singur cristal, care a fost apoi utilizată ca element de construcție esențial pentru un nanogenerator piezoelectric.

Comparația materialelor raportate până în 2010 este prezentată în tabelul următor.

Material	Tip	Geometrie	Tensiunea de ieșire	Putere de iesire	Sinteză	Cercetat la
ZnO (tip n)	Wurtzite	D: ~ 100 nm, L: 200 ~ 500 nm	V P = ~ 9 mV @ R = 500 MΩ	~ 0,5 pW pe ciclu (estimat)	CVD, proces hidrotermal	Georgia Tech.
ZnO (tip p)	Wurtzite	D: ~ 50 nm, L: ~ 600 nm	V P = 50 ~ 90 mV @ R = 500 MΩ	5 ~ 16,2 pW pe ciclu (calculat)	CVD	Georgia Tech.
ZnO-ZnS	Wurtzite (Heterostructură)	Nu a declarat	V P = ~ 6 mV @ R = 500 MΩ	~ 0,1 pW pe ciclu (calculat)	Evaporare termică și gravare	Georgia Tech.
GaN	Wurtzite	D: 25 ~ 70 nm, L: 10 ~ 20 μm	V medie = ~ 20 mV, V max = ~ 0,35 V @ R = 500 MΩ	~ 0,8 pW pe ciclu (mediu, calculat)	CVD	Georgia Tech.
CdS	Wurtzite	D: ~ 100 nm, L: 1 μm	V P = ~ 3 mV	Nu a declarat	PVD, Proces hidrotermal	Georgia Tech.
BaTiO 3	Perovskit	D: ~ 280 nm, L: ~ 15 μm	V P = ~ 25 mV @ R = 100 MΩ	~ 0,3 aJ pe ciclu (indicat)	Reacție chimică la temperatură ridicată	UIUC
PVDF	Polimer	D: 0,5 ~ 6,5 μm, L: 0,1 ~ 0,6 mm	V P = 5 ~ 30 mV	2,5 pW ~ 90 pW pe ciclu (calculat)	Electro filare	UC Berkeley
KNbO 3	Perovskit	D: ~ 100 nm; L: câțiva cm	Vp = ~ 16 V @ R = 100 MΩ		Electro filare	SUTD / MIT

Aplicații

Se așteaptă ca nanogeneratorul să fie aplicat pentru diferite aplicații în care există energia cinetică periodică, cum ar fi valurile vântului și oceanelor la scară largă, până la mișcarea musculară prin bătăile unei inimi sau prin inhalarea plămânilor la scară mică. Aplicațiile fezabile suplimentare sunt următoarele.

Nano / micro dispozitive autoalimentate . Una dintre aplicațiile fezabile ale nanogeneratorului este o sursă de energie independentă sau suplimentară pentru nano / micro dispozitive care consumă o cantitate relativ mică de energie într-o stare în care energia cinetică este furnizată continuu. Unul dintre exemple a fost introdus de grupul profesorului Zhong Lin Wang în 2010 prin senzorul auto-alimentat de pH sau UV integrat VING cu o tensiune de ieșire de 20 ~ 40 mV pe senzor.

Cu toate acestea, energia electrică convertită este relativ mică pentru operarea nano / micro dispozitivelor; prin urmare, domeniul de aplicare al acestuia este încă limitat ca o sursă de energie suplimentară la baterie. Descoperirea este căutată prin combinarea nanogeneratorului cu alte tipuri de dispozitive de recoltare a energiei, cum ar fi celula solară sau recoltatorul de energie biochimică. Se așteaptă ca această abordare să contribuie la dezvoltarea sursei de energie adecvată aplicației în care funcționarea independentă este crucială, cum ar fi Smartdust .

Sisteme Smart Wearable . Ținuta integrată sau confecționată din textile cu fibra piezoelectrică este una dintre aplicațiile fezabile ale nanogeneratorului. Energia cinetică din corpul uman este convertită în energie electrică prin intermediul fibrelor piezoelectrice și poate fi aplicată eventual pentru a furniza dispozitive electronice portabile, cum ar fi sistemul de monitorizare a sănătății atașat la sistemele inteligente portabile . Nanogeneratorul, cum ar fi VING, poate fi, de asemenea, ușor integrat în pantof, folosind mișcarea de mers a corpului uman.

O altă aplicație similară este o piele artificială generatoare de energie. Grupul profesorului Zhong Lin Wang a arătat această posibilitate generând o tensiune alternativă de până la 100 mV din SWG-ul flexibil atașat hamsterului care funcționează.

Dispozitive transparente și flexibile . O parte din nanostructura piezoelectrică poate fi formată în diferite tipuri de substraturi, cum ar fi substratul organic flexibil și transparent. Grupurile de cercetare din SKKU (grupul profesorului Sang-Woo Kim) și SAIT (grupul Dr. Jae-Young Choi) au dezvoltat un nanogenerator transparent și flexibil care poate fi utilizat eventual pentru senzorul tactil auto-alimentat și au anticipat că dezvoltarea poate fi extinsă la dispozitivele cu ecran tactil eficiente din punct de vedere energetic. Obiectivul lor de cercetare este extins pentru a spori transparența dispozitivului și eficiența costurilor prin înlocuirea electrodului de Indiu-Tin-Oxid ( ITO ) cu un strat de grafen .

Receptor de energie telemetric implantabil . Nanogenerator bazat pe ZnO nanofire pot fi aplicate pentru dispozitivele implantabile , deoarece ZnO nu numai că este biocompatibil , dar , de asemenea , poate fi sintetizat pe substratul organic, făcând nanogenerator biocompatibil în ansamblu. Dispozitivul implantabil integrat cu nanogeneratorul poate fi acționat prin primirea vibrațiilor ultrasonice externe în afara corpului uman, care este transformată în energie electrică prin nanostructura piezoelectrică .

Nanogenerator triboelectric

Prezentare generală

Un nanogenerator triboelectric este un dispozitiv de recoltare a energiei care convertește energia mecanică externă în electricitate printr-o combinație de efect triboelectric și inducție electrostatică . Acest nou tip de nanogenerator a fost demonstrat mai întâi în grupul Prof. Zhong Lin Wang de la Georgia Institute of Technology în anul 2012. În ceea ce privește această unitate de generare a energiei electrice, în circuitul interior, un potențial este creat de efectul triboelectric datorită sarcinii transfer între două filme organice / anorganice subțiri care prezintă tribo-polaritate opusă; în circuitul exterior, electronii sunt conduși să curgă între doi electrozi atașați pe părțile din spate ale filmelor pentru a echilibra potențialul. Deoarece cele mai utile materiale pentru TENG sunt organice, acesta este, de asemenea, numit nanogenerator organic, care este primul care folosește materiale organice pentru recoltarea energiei mecanice.

Încă de la primul raport al TENG din ianuarie 2012, densitatea puterii de ieșire a TENG a fost îmbunătățită cu cinci ordine de mărime în decurs de 12 luni. Densitatea de putere a zonei atinge 313 W / m ² , densitatea volumului ajunge la 490 kW / m ³ și au fost demonstrate eficiențe de conversie de ~ 60% -72%. Pe lângă performanțele de ieșire fără precedent, această nouă tehnologie energetică are, de asemenea, o serie de alte avantaje, precum costuri reduse în fabricație și fabricație, robustețe și fiabilitate excelente și respectarea mediului. Nanogeneratorul triboelectric poate fi aplicat pentru a recolta orice tip de energie mecanică disponibilă, dar irosită în viața noastră de zi cu zi, cum ar fi mișcarea umană, mersul pe jos, vibrațiile, declanșarea mecanică, rotirea anvelopei, vântul, apa curentă și multe altele.

Mai important, grupul Ramakrishna Podila de la Universitatea Clemson a demonstrat primii nanogeneratori triboelectrici cu adevărat fără fir, care au putut încărca fără fir dispozitive de stocare a energiei (de exemplu, baterii și condensatori) fără a fi nevoie de amplificare externă și amplificatoare. Acești generatori fără fir ar putea deschide calea către noi sisteme care ar putea fi utilizate pentru recoltarea energiei mecanice și transmiterea wireless a energiei generate pentru stocare.

Nanogeneratorul triboelectric are trei moduri de funcționare de bază: modul vertical de separare a contactului, modul de alunecare în plan și modul cu un singur electrod. Au caracteristici diferite și sunt potrivite pentru aplicații diferite.

Moduri și mecanisme de bază

Mod de separare verticală a contactelor

Mecanismul de lucru al nanogeneratorului triboelectric poate fi descris ca schimbarea periodică a diferenței de potențial indusă de separarea ciclică și re-contactarea sarcinilor triboelectrice opuse pe suprafețele interioare ale celor două foi. Când se aplică o agitație mecanică pe dispozitiv pentru a-l îndoi sau apăsa, suprafețele interioare ale celor două foi vor intra în contact strâns și va începe transferul de încărcare, lăsând o parte a suprafeței cu sarcini pozitive și cealaltă cu sarcini negative. Acesta este doar efectul triboelectric . Când se eliberează deformarea, cele două suprafețe cu sarcini opuse se vor separa automat, astfel încât aceste sarcini triboelectrice opuse vor genera un câmp electric între ele și astfel vor induce o diferență de potențial între electrozii de sus și de jos. Pentru a examina această diferență de potențial, electronii vor fi conduși să curgă de la un electrod la altul prin sarcina externă. Electricitatea generată în acest proces va continua până când potențialul celor doi electrozi va reveni chiar și din nou. Ulterior, când cele două foi sunt presate din nou una spre cealaltă, diferența de potențial indusă de sarcina triboelectrică va începe să scadă la zero, astfel încât sarcinile transferate să curgă înapoi prin sarcina externă, pentru a genera un alt impuls de curent în direcția opusă . Când durează această deformare mecanică periodică, semnalele de curent alternativ (AC) vor fi generate continuu.

În ceea ce privește perechea de materiale care intră în contact și generează sarcini triboelectrice, cel puțin unul dintre ele trebuie să fie un izolator , astfel încât sarcinile triboelectrice să nu poată fi îndepărtate, dar să rămână pe suprafața interioară a foii. Apoi, aceste încărcări triboelectrice imobile pot induce fluxul de curent alternativ în sarcina externă sub schimbarea periodică a distanței.

Mod de alunecare lateral

Există două procese de frecare de bază: contactul normal și alunecarea laterală. Am demonstrat aici un TENG care este proiectat pe baza alunecării în plan între cele două suprafețe în direcție laterală. Cu o triboelectrificare intensivă facilitată de frecare prin alunecare, o schimbare periodică a zonei de contact între două suprafețe duce la o separare laterală a centrelor de încărcare, ceea ce creează o cădere de tensiune pentru a conduce fluxul de electroni în sarcina externă. Mecanismul de generare a electricității indus de alunecare este reprezentat schematic în figură. În poziția inițială, cele două suprafețe polimerice se suprapun complet și intră în contact intim unul cu celălalt. Datorită diferenței mari în capacitatea de a atrage electroni, triboelectrificarea va lăsa o suprafață cu sarcini nete pozitive și cealaltă cu sarcini nete negative cu densitate egală. Deoarece tribo-încărcăturile de pe izolatoare se vor distribui numai în stratul de suprafață și nu vor fi scurse pentru o perioadă lungă de timp, separarea dintre suprafața încărcată pozitiv și suprafața încărcată negativ este neglijabilă în această poziție suprapusă și, astfel, va exista să fie mică cădere de potențial electric peste cei doi electrozi. Odată ce placa superioară cu suprafața încărcată pozitiv începe să alunece spre exterior, separarea sarcinii în plan este inițiată din cauza scăderii suprafeței de contact. Sarcinile separate vor genera un câmp electric îndreptat de la dreapta la stânga aproape paralel cu plăcile, inducând un potențial mai mare la electrodul superior. Această diferență de potențial va conduce un flux de curent de la electrodul superior la electrodul inferior pentru a genera o cădere de potențial electric care anulează potențialul indus de tribo-încărcare. Deoarece distanța verticală dintre stratul de electrod și suprafața polimerică încărcată tribo este neglijabilă în comparație cu distanța de separare a sarcinii laterale, cantitatea de sarcini transferate de pe electrozi este egală cu cantitatea de sarcini separate la orice deplasare glisantă. Astfel, fluxul de curent va continua cu continuarea procesului de alunecare în desfășurare, care continuă să crească sarcinile separate, până când placa superioară alunecă complet din placa inferioară și suprafețele tribo-încărcate sunt complet separate. Curentul măsurat ar trebui să fie determinat de viteza la care cele două plăci sunt despărțite. Ulterior, când placa superioară este întoarsă pentru a aluneca înapoi, sarcinile separate încep să intre din nou în contact, dar nu există anihilare datorită naturii izolatoare a materialelor polimerice. Sarcinile transferate redundante pe electrozi vor reveni prin sarcina externă odată cu creșterea zonei de contact, pentru a menține echilibrul electrostatic. Acest lucru va contribui la un curent de curent de la electrodul de jos la electrodul de sus, împreună cu al doilea semiciclu de alunecare. Odată ce cele două plăci ating poziția suprapusă, suprafețele încărcate intră din nou în contact complet. Nu vor rămâne sarcini transferate pe electrod, iar dispozitivul revine la prima stare. În acest ciclu întreg, procesele de alunecare spre exterior și spre interior sunt simetrice, deci ar trebui să se aștepte o pereche de vârfuri de curent alternativ simetrice.

Mecanismul de separare a sarcinii în plan poate funcționa fie într-o singură alunecare direcțională între două plăci, fie în modul de rotație. În modul glisant, introducerea grătarului liniar sau a segmentării circulare pe suprafețele glisante este un mijloc extrem de eficient pentru recoltarea energiei. Cu astfel de structuri, două suprafețe triboelectrice modelate pot ajunge la o poziție complet nepotrivită printr-o deplasare de numai o lungime a unității de rețea, mai degrabă decât întreaga lungime a TENG, astfel încât să crească dramatic eficiența transportului sarcinilor induse.

Mod cu un singur electrod

Un nanogenerator triboelectric bazat pe un singur electrod este introdus ca un design mai practic și fezabil pentru unele aplicații, cum ar fi nanoageneratorul triboelectric cu vârful degetului. Principiul de funcționare al TENG cu un singur electrod este prezentat schematic în figură prin cuplarea electrificării de contact și a inducției electrostatice. În poziția inițială, suprafețele pielii și PDMS intră complet în contact, rezultând transferul de încărcare între ele. Conform seriei triboelectrice, electronii au fost injectați din piele către PDMS, deoarece PDMS este mai triboelectric negativ decât pielea, care este procesul de electrificare prin contact. Sarcinile triboelectrice produse cu polarități opuse sunt complet echilibrate / ecranate, ducând la nici un flux de electroni în circuitul extern. Odată ce apare o separare relativă între PDMS și piele, aceste sarcini triboelectrice nu pot fi compensate. Sarcinile negative de pe suprafața PDMS pot induce sarcini pozitive pe electrodul ITO, conducând electroni liberi să curgă de la electrodul ITO la masă. Acest proces de inducție electrostatică poate da un semnal de tensiune / curent de ieșire dacă distanța care se separă între pielea care se atinge și PDMS de jos este comparabilă în mod semnificativ cu dimensiunea filmului PDMS. Când încărcările triboelectrice negative de pe PDMS sunt ecranate complet de sarcinile pozitive induse de pe electrodul ITO prin creșterea distanței de separare între PDMS și piele, nu pot fi observate semnale de ieșire, așa cum este ilustrat. Mai mult, atunci când pielea a fost readusă pentru a se apropia de PDMS, sarcinile pozitive induse pe electrodul ITO scad și electronii vor curge de la sol la electrodul ITO până când pielea și PDMS vor intra din nou în contact unul cu celălalt, rezultând o tensiune de ieșire inversată. / semnal curent. Acesta este un ciclu complet de proces de generare a energiei electrice pentru TENG în modul de separare a contactelor.

Aplicații

TENG este un proces fizic de conversie a agitației mecanice într-un semnal electric prin triboelectrificare (în circuit interior) și procese de inducție electrostatică (în circuit exterior). Acest proces de bază a fost demonstrat pentru două aplicații majore. Prima aplicație este recoltarea energiei cu un avantaj deosebit al recoltării energiei mecanice. Cealaltă aplicație trebuie să servească ca senzor activ auto-alimentat, deoarece nu are nevoie de o sursă de alimentare externă pentru a conduce.

Recoltarea energiei vibraționale

Vibrațiile sunt rezultatul celor mai populare fenomene din societate, de la mers, voci, vibrații ale motorului, automobile, trenuri, aeronave, vânt și multe altele. Există aproape peste tot și tot timpul. Recoltarea energiei prin vibrații are o mare valoare, în special pentru alimentarea electronică mobilă, în special în combinație cu tehnicile complementare de recoltare a energiei echilibrate. S-au demonstrat diverse tehnologii bazate pe principiile fundamentale ale nanogeneratorilor triboelectrici pentru recoltarea energiei vibraționale. Această aplicație a nanogeneratorului triboelectric a fost demonstrată în următoarele aspecte: 1. Tehnica bazată pe consolă este o abordare clasică pentru recoltarea energiei mecanice, în special pentru MEMS. Prin proiectarea suprafeței de contact a unui consolă cu suprafețele superioare și inferioare în timpul vibrațiilor, TENG a fost demonstrat pentru recoltarea energiei vibrațiilor ambientale pe baza modului de separare a contactelor. 2. Pentru a recolta energia dintr-un rucsac, am demonstrat un TENG proiectat rațional, cu grilaj rombic integrat, care a îmbunătățit mult puterea totală de curent datorită celulelor unitare multiplicate structural conectate în paralel. 3. Cu ajutorul a 4 arcuri de susținere, a fost fabricat un TENG bazat pe rezonator armonic pe baza separării de contact induse de rezonanță între cele două materiale triboelectrice, care a fost utilizată pentru recoltarea energiei de vibrație de pe un motor de automobile, o canapea și un birou. 4. Recent, un nanogenerator triboelectric tridimensional (3D-TENG) a fost proiectat pe baza unui mod de hibridizare a conjuncției, modul de separare verticală a contactului și modul de alunecare în plan.36 Designul inovator facilitează recoltarea energiei de vibrații aleatorii în multiple direcții pe o lățime de bandă largă. TENG 3-D este conceput pentru recoltarea energiei vibrațiilor ambientale, în special la frecvențe joase, într-o serie de condiții din viața de zi cu zi, deschizând astfel aplicațiile TENG în monitorizarea mediului / infrastructurii, încărcarea electronice portabile și internetul obiectelor.

Recoltarea energiei din mișcarea corpului uman

Deoarece există o energie mecanică abundentă generată pe corpurile umane în viața de zi cu zi a oamenilor, putem folosi nanogeneratorul triboelectric pentru a converti această cantitate de energie mecanică în electricitate, pentru încărcarea electronice portabile și aplicații biomedicale. Acest lucru va ajuta la îmbunătățirea considerabilă a confortului vieții oamenilor și la extinderea aplicației electronice personale. A fost demonstrat un branț generator de energie ambalat cu nanogeneratori triboelectrici flexibili cu mai multe straturi, care permit recoltarea presiunii mecanice în timpul mersului normal. TENG-ul folosit aici se bazează pe modul de separare a contactelor și este eficient în răspunsul la comprimarea periodică a branțului. Folosind branțul ca sursă de alimentare directă, dezvoltăm un pantof de auto-iluminare complet ambalat, care are aplicații largi pentru afișare și divertisment. Un TENG poate fi atașat la stratul interior al cămășii pentru recoltarea energiei din mișcarea corpului. Sub general mersul, puterea maximă a tensiunii și a densității de curent sunt de până la 17 V și 0,02 pA / cm ² , respectiv. TENG cu un singur strat de 2 cm × 7 cm × 0,08 cm lipit pe haine a fost demonstrat ca o sursă de energie durabilă, care nu numai că poate aprinde direct 30 de diode emițătoare de lumină (LED-uri), dar, de asemenea, poate încărca un ion litiu bateria bătând persistent din haine.

Senzori activi de forță / tensiune auto-alimentați

Un nanogenerator triboelectric generează automat o tensiune și un curent de ieșire odată ce este declanșat mecanic. Mărimea sau semnalul de ieșire semnifică impactul deformării mecanice și comportamentul său dependent de timp. Acesta este principiul de bază al TENG care poate fi aplicat ca senzor de presiune autoalimentat. Semnalul de tensiune-ieșire poate reflecta presiunea aplicată indusă de o picătură de apă. Toate tipurile de TENG-uri au o sensibilitate ridicată și un răspuns rapid la forța externă și se prezintă ca un semnal de vârf ascuțit. Mai mult, poate fi detectat răspunsul la impactul unei bucăți de pană (20 mg, ~ 0,4 Pa în presiunea de contact). Semnalul senzorului poate arăta delicat aceste detalii ale întregului proces. Rezultatele existente arată că senzorul nostru poate fi aplicat pentru măsurarea presiunii subtile din viața reală.

Senzorul de presiune activă a fost, de asemenea, dezvoltat sub forma unui compozit. Termenul de compozit triboelectric se referă la un polimer în formă de burete cu sârmă încorporată. Aplicarea presiunii și a impactului asupra compozitului în orice direcție determină separarea sarcinii între polimerul moale și firul activ din cauza prezenței unui spațiu compozit. Sârma pasivă ca al doilea electrod poate fi încorporată în interiorul buretelui fără spațiu de aer sau plasată din compozit permițând senzorului să funcționeze în modul cu un singur electrod.

În cazul în care realizăm o matrice matricală a nanogeneratorilor triboelectrici, se poate realiza o hartă de presiune cu suprafață mare și auto-alimentată aplicată pe o suprafață. Răspunsul matricei TENG la presiunea locală a fost măsurat printr-un sistem de măsurare multi-canal. Există două tipuri de semnale de ieșire de la TENG: tensiunea circuitului deschis și curentul de scurtcircuit. Tensiunea în circuit deschis este dictată doar de configurația finală a TENG după aplicarea unei declanșări mecanice, astfel încât este o măsură a amplorii deformării, care este atribuită informațiilor statice care trebuie furnizate de TENG. Curentul de ieșire depinde de viteza la care ar curge sarcina indusă, astfel încât semnalul de curent să fie mai sensibil la procesul dinamic al modului în care se aplică declanșarea mecanică.

Senzorul de presiune activă și gama integrată de senzori bazată pe efectul triboelectric au mai multe avantaje față de senzorii de presiune pasivi convenționali. În primul rând, senzorul activ este capabil atât de detectare a presiunii statice utilizând tensiunea în circuit deschis, cât și de detectare a presiunii dinamice utilizând curentul de scurtcircuit, în timp ce senzorii convenționali sunt de obicei incapabili de detectare dinamică pentru a furniza informații despre viteza de încărcare. În al doilea rând, răspunsul prompt al detectării atât statice, cât și dinamice permite dezvăluirea detaliilor despre presiunea de încărcare. În al treilea rând, limita de detecție a TENG pentru detectarea dinamică este de până la 2,1 Pa, datorită puterii ridicate a TENG. În al patrulea rând, gama de senzori activi prezentați în această lucrare nu are consum de energie și ar putea fi chiar combinată cu funcționalitatea sa de recoltare a energiei pentru cartografierea presiunii auto-alimentată. Lucrările viitoare în acest domeniu implică miniaturizarea dimensiunii pixelilor pentru a obține o rezoluție spațială mai mare și integrarea matricei TEAS pe un substrat complet flexibil pentru imagistica de presiune adaptabilă la formă.

Senzori de mișcare autoalimentați

Termenul de senzori auto-alimentați poate reflecta mult dincolo de semnalul de ieșire de tensiune. Se poate referi la un sistem care alimentează toate componentele electronice responsabile de măsurarea și demonstrarea mișcării detectabile. De exemplu, codificatorul triboelectric auto-alimentat, integrat în sistemul inteligent de curea-curea, transformă fricțiunea în energie electrică utilă prin stocarea energiei recoltate într-un condensator și alimentarea completă a circuitului, inclusiv un microcontroler și un LCD.

Senzori chimici activi autoalimentați

În ceea ce privește nanogeneratorii triboelectrici, maximizarea generației de sarcină pe laturile opuse poate fi realizată prin selectarea materialelor cu cea mai mare diferență în capacitatea de a atrage electroni și schimbarea morfologiei suprafeței. Într-un astfel de caz, ieșirea TENG depinde de tipul și concentrația moleculelor adsorbite pe suprafața materialelor triboelectrice, care pot fi utilizate pentru fabricarea senzorilor chimici și biochimici. De exemplu, performanța TENG depinde de asamblarea nanoparticulelor Au (NP) pe placa metalică. Aceste NP Au asamblate nu acționează doar ca goluri constante între cele două plăci în condiții libere de tensiune, dar permit și funcția de mărire a zonei de contact a celor două plăci, ceea ce va crește puterea electrică a TENG. Prin modificarea ulterioară a moleculelor de acid 3-mercaptopropionic (3-MPA) pe NPs Au asamblate, nanogeneratorul cu randament ridicat poate deveni un nanosenzor extrem de sensibil și selectiv spre detectarea ionilor Hg ²⁺ din cauza polarității triboelectrice diferite a Au NPs și Hg ²⁺ ioni. Cu sensibilitatea, selectivitatea și simplitatea ridicate, TENG deține un mare potențial pentru determinarea ionilor Hg ²⁺ în probele de mediu. TENG este un sistem de detectare a viitorului pentru medii extreme inaccesibile și refuzate de acces. Deoarece diferiți ioni, molecule și materiale au polaritățile triboelectrice unice, ne așteptăm ca TENG să devină un senzor electric de pornire sau oprire atunci când analiții se leagă selectiv de suprafața electrodului modificat. Credem că această lucrare va servi drept piatră de temelie pentru studiile TENG conexe și va inspira dezvoltarea TENG către alți ioni metalici și biomolecule, cum ar fi ADN și proteine, în viitorul apropiat.

Alegerea materialelor și a structurilor de suprafață

Aproape toate materialele cunoscute prezintă efectul de triboelectrificare, de la metal, la polimer, la mătase și la lemn, aproape totul. Toate aceste materiale pot fi candidate la fabricarea TENG-urilor, astfel încât materialele pentru TENG să fie enorme. Cu toate acestea, capacitatea unui material de a câștiga / pierde electron depinde de polaritatea acestuia. John Carl Wilcke a publicat prima serie triboelectrică într-un 1757 cu sarcini statice. Un material către partea de jos a seriei, atunci când este atins de un material din partea de sus a seriei, va atinge o sarcină mai negativă. Cu cât cele două materiale sunt mai îndepărtate unele de altele pe serie, cu atât este mai mare încărcătura transferată. Pe lângă alegerea materialelor din seria triboelectrică, morfologiile suprafețelor pot fi modificate prin tehnici fizice prin crearea de micro-nano-modele bazate pe piramide, pătrate sau emisfere, care sunt eficiente pentru îmbunătățirea zonei de contact. și, eventual, triboelectrificarea. Cu toate acestea, structura creată pe suprafață poate crește forța de frecare, ceea ce poate reduce eficiența de conversie a energiei TENG. Prin urmare, trebuie optimizată o optimizare pentru maximizarea eficienței conversiei.

Suprafețele materialelor pot fi funcționalizate chimic folosind diverse molecule, nanotuburi, nanofire sau nanoparticule, pentru a spori efectul triboelectrificării. Funcționalizarea suprafeței poate modifica în mare măsură potențialul suprafeței. Introducerea nanostructurilor pe suprafețe poate modifica caracteristicile de contact locale, ceea ce poate îmbunătăți triboelectrificarea. Aceasta va implica un număr mare de studii pentru testarea unei game de materiale și a unei game de nanostructuri disponibile.

Pe lângă aceste materiale pure, materialele de contact pot fi realizate din compozite, cum ar fi încorporarea nanoparticulelor în matricea polimerică. Acest lucru nu numai că modifică electrificarea suprafeței, ci și permitivitatea materialelor, astfel încât acestea să poată fi eficiente pentru inducerea electrostatică. Prin urmare, există numeroase modalități de îmbunătățire a performanței TENG din punct de vedere al materialelor. Acest lucru oferă o șansă excelentă pentru chimiști și oameni de știință în materie de a face studii ample atât în ​​știința de bază, cât și în aplicația practică. În schimb, sistemele de materiale pentru celule solare și electrice termice, de exemplu, sunt destul de limitate și nu există foarte multe opțiuni pentru dispozitivele de înaltă performanță.

Standarde și cifre de merit

O cifră de merit de performanță (FOM _P ) a fost dezvoltată pentru a evalua cantitativ performanța nanogeneratorilor triboelectrici, constând dintr-o figură de merit structural (FOM _S ) legată de structura TENG și o figură de merit materială (FOM _M ) care este pătratul densității de încărcare a suprafeței. Având în vedere efectul defalcării, se propune, de asemenea, o cifră de merit revizuită. Pe baza FOM, rezultatele diferitelor TENG pot fi comparate și evaluate.

Cicluri pentru producția de energie a TENG

Pentru o mișcare mecanică periodică continuă (de la deplasarea x = 0 la x = x _max ), semnalul de ieșire electrică de la TENG este, de asemenea, periodic dependent de timp. Într-un astfel de caz, puterea medie de ieșire P, care este legată de rezistența la sarcină, este utilizată pentru a determina meritele TENG. Având în vedere o anumită perioadă de timp T, energia de ieșire pe ciclu E poate fi derivată ca:

Acest lucru indică faptul că energia de ieșire pe ciclu E poate fi calculată ca aria înconjurată a buclei închise în curba V-Q, iar toate ciclurile VQ sunt denumite „cicluri pentru producția de energie” (CEO).

Cicluri pentru producerea maximă de energie a TENG.

Prin transformarea periodică între condițiile de sarcină și de scurtcircuit, se pot obține cicluri pentru puterea maximă de energie. Când sarcina este infinită, VQ devine o formă trapezoidală, ale cărei vârfuri sunt determinate de sarcina maximă transferată de scurtcircuit Q _{SC, max} , iar energia maximă de ieșire poate fi calculată ca:

Cifre de merit (FOM) ale TENG.

Pentru TENG care funcționează în CMEO cu rezistență la sarcină infinită, perioada T include două părți de timp. O parte este din mișcarea relativă în TENG, iar cealaltă parte este din procesul de descărcare în condiții de scurtcircuit. Efectul de defalcare există pe scară largă în nanogeneratoarele triboelectrice, ceea ce va afecta grav producția de energie maximă efectivă, E _em . Prin urmare, puterea medie de ieșire P la CMEO având în vedere efectul de defalcare ar trebui să satisfacă:

Unde v este valoarea vitezei medii a mișcării relative în TENG, care depinde de mișcările mecanice de intrare. În această ecuație, este singurul termen care depinde de caracteristicile TENG în sine. Eficiența conversiei energetice a TENG poate fi exprimată ca (la CMEO cu R = ∞ având în vedere efectele de defalcare): ${\ displaystyle {\ frac {E _ {\ text {em}}} {x _ {\ text {max}}}}}$ Aici F reprezintă forța medie disipativă în timpul funcționării TENG. Această forță poate fi forță de frecare, forță de rezistență la aer sau altele. reprezintă forța medie disipativă în timpul funcționării TENG. Această forță poate fi forță de frecare, forță de rezistență la aer sau altele. Prin urmare, se poate concluziona că termenul determină atât puterea medie, cât și eficiența de conversie a energiei din caracteristicile TENG în sine. E _em conține Q _{SC, maxim} care este proporțional cu aria de triboelectrificare A. Prin urmare, pentru a exclude efectul dimensiunii TENG asupra energiei de ieșire, aria A ar trebui plasată în numitorul acestui termen și apoi termenul determină meritele TENG. Q _{SC, max} , V _{OC, max} și V _max 'sunt toate proporționale cu densitatea de încărcare a suprafeței σ. Prin urmare, E _em este proporțional cu pătratul densității de încărcare a suprafeței σ. Apoi, se poate defini un FOM structural adimensional (FOM _S ) al TENG, deoarece factorul depinde doar de parametrii structurali și x _max : ${\ displaystyle {\ frac {E _ {\ text {em}}} {x _ {\ text {max}}}}}$${\ displaystyle {\ frac {E _ {\ text {em}}} {Ax _ {\ text {max}}}}}$

$${\ displaystyle FOM _ {\ text {S}} = 2 \ epsilon _ {0} / \ sigma ^ {2} {\ frac {E _ {\ text {em}}} {Ax _ {\ text {max}}}} }$$

Aici ε ₀ este permitivitatea vidului. Acest FOM structural reprezintă meritul TENG din proiectarea structurală. Și apoi performanța FOM (FOM _P ) a TENG poate fi definită ca:

$${\ displaystyle FOM _ {\ text {P}} = 2 \ epsilon _ {0} {\ frac {E _ {\ text {em}}} {Ax _ {\ text {max}}}}$$

Aici,

$${\ displaystyle FOM _ {\ text {M}} = \ sigma ^ {2}}$$

care este singura componentă legată de proprietățile materialului. FOM _P poate fi considerat standardul universal pentru evaluarea varietăților de TENG, deoarece este direct proporțional cu puterea medie de ieșire cea mai mare posibilă și este legat de cea mai mare eficiență de conversie a energiei realizabilă, indiferent de modul și dimensiunea TENG.

Metodă standardizată pentru evaluarea capacității de ieșire

Având în vedere efectul de defalcare, se propune o metodă standardizată pentru evaluarea capacității de ieșire a nanogeneratorilor, care poate măsura experimental limita de defalcare și E _em a nanogeneratorilor. Studiile anterioare asupra modelului teoretic implică faptul că TENG poate fi considerat ca o sursă de tensiune combinată cu un condensator în serie, dintre care capacitatea variază în timpul funcționării. Pe baza proprietății capacitive, metoda de evaluare este dezvoltată prin încărcarea țintei TENG (TENG1) la diferite deplasări x pentru a măsura starea de defalcare. Se adaugă un alt TENG (TENG2) ca sursă de înaltă tensiune pentru a declanșa TENG-ul țintă să se apropie de starea de avarie. Comutatorul 1 (S1) și comutatorul 2 (S2) sunt utilizate pentru a activa diferiți pași de măsurare. Flux de proces detaliat al acestei metode, incluzând o parte de experiment și o parte de analiză a datelor. În primul rând, este esențial să mențineți densitatea de încărcare a suprafeței identică cu cea reflectată de Q _{SC, max} , pentru a asigura consistența măsurătorii la diferite x. Astfel, în Pasul 1, S1 a fost pornit și S2 a fost oprit pentru a măsura Q _{SC, max} ; dacă Q _{SC, max} este mai mic decât valoarea așteptată, se efectuează un proces suplimentar de triboelectrificare pentru a aborda acest lucru. Și apoi la Pasul 2, x a fost setat într-o anumită valoare, iar transferul de sarcină de scurtcircuit Q _SC (x) la un anumit x a fost măsurat cu coulometrul Q1. La pasul 3, S1 a fost oprit, S2 a fost pornit și apoi TENG2 a fost declanșat pentru a furniza ieșire de înaltă tensiune pentru TENG1. Sarcina care curge în TENG1 și tensiunea în TENG1 au fost măsurate în același timp, în care sarcina a fost măsurată de coulometrul Q2, iar tensiunea a fost obținută prin înmulțirea rezistenței R cu curentul care curge prin el, măsurat prin metrul de curent I, așa cum este detaliat în Metode. Punctele de cotitură obținute în acest (Q, V) au fost considerate ca puncte de defalcare. Și apoi, dacă x <xmax, procesul a fost repetat începând de la pasul 1 cu un x crescut, până când s-a atins x _max pentru a finaliza partea de măsurare experimentală. Pentru partea de analiză a datelor, mai întâi, C (x) a fost calculat din panta părții liniare din măsurată (Q, V), considerându-l ca fiind partea care nu se defalcă. Și apoi, primul punct de cotitură (Q _b (x), V _b (x)) a fost determinat la valoarea variantei R2 prin ajustarea liniară a C (x), care a fost considerat punctul de prag de rupere. În cele din urmă, pentru orice x∈ [0, x _max ], toate (Q _b (x), V _b (x)) pot fi transferate în (Q _SC (x) - Q _b (x), V _b (x) ) ca puncte de defalcare reprezentate în ciclul VQ pentru a calcula E _em a TENG.

Circuit de măsurare defecțiune

Procesul de măsurare a defalcării

Nanogenerator piroelectric

Un nanogenerator piroelectric este un dispozitiv de recoltare a energiei care transformă energia termică externă într-o energie electrică prin utilizarea de materiale piroelectrice nano-structurate. De obicei, recoltarea energiei termoelectrice se bazează în principal pe efectul Seebeck care utilizează o diferență de temperatură între cele două capete ale dispozitivului pentru a conduce difuzia purtătorilor de sarcină. Cu toate acestea, într-un mediu în care temperatura este spațial uniformă fără un gradient, cum ar fi în aer liber, efectul Seebeck nu poate fi utilizat pentru a recolta energia termică dintr-o fluctuație de temperatură dependentă de timp. În acest caz, efectul piroelectric trebuie să fie alegerea, care se referă la polarizarea spontană în anumite solide anizotrope ca urmare a fluctuației de temperatură. Primul nanogenerator piroelectric a fost introdus de prof. Zhong Lin Wang la Georgia Institute of Technology în 2012. Prin recoltarea energiei termice reziduale, acest nou tip de nanogenerator are potențiale aplicații, cum ar fi senzori fără fir, imagistică a temperaturii, diagnostic medical și electronică personală. .

Mecanism

Mecanismul nanogeneratorului piroelectric bazat pe o structură compusă a nanoșoarelor piroelectrice. (Ac) Diagramele schematice ale nanogeneratorului piroelectric cu dipoli electrici negativi în condiții de temperatura camerei (a), încălzite (b) și răcite (c). Unghiurile marcate în diagrame reprezintă gradele în care dipolul ar oscila în funcție de fluctuațiile termice statistice.

Principiul de lucru al nanogeneratorului piroelectric va fi explicat pentru 2 cazuri diferite: efectul piroelectric primar și efectul piroelectric secundar.

Principiul de lucru pentru primul caz este explicat de efectul primar piroelectric, care descrie sarcina produsă într-un caz fără tulpini. Efectul piroelectric primar domină răspunsul piroelectric în PZT, BTO și în alte materiale feroelectrice. Mecanismul se bazează pe oscilația aleatorie indusă termic a dipolului electric în jurul axei sale de echilibru, a cărei magnitudine crește odată cu creșterea temperaturii. Datorită fluctuațiilor termice la temperatura camerei, dipolii electrici vor oscila aleatoriu într-un grad față de axele lor de aliniere respective. La o temperatură fixă, puterea medie totală a polarizării spontane din dipolii electrici este constantă, rezultând nicio ieșire a nanogeneratorului piroelectric. Dacă aplicăm o modificare a temperaturii în nanogenerator de la temperatura camerei la o temperatură mai mare, creșterea temperaturii va avea ca rezultat faptul că dipolii electrici oscilează într-un grad mai mare de răspândire în jurul axelor lor de aliniere respective. Polarizarea spontană medie totală este scăzută datorită răspândirii unghiurilor de oscilație. Cantitatea de sarcini induse în electrozi este astfel redusă, rezultând un flux de electroni. Dacă nanogeneratorul este răcit în loc să fie încălzit, polarizarea spontană va fi îmbunătățită, deoarece dipolii electrici oscilează într-un grad mai mic de unghiuri de răspândire datorită activității termice mai mici. Mărimea totală a polarizării este crescută și cantitatea de sarcini induse în electrozi este crescută. Electronii vor curge apoi într-o direcție opusă.

Pentru al doilea caz, răspunsul piroelectric obținut este explicat de efectul piroelectric secundar, care descrie sarcina produsă de tulpina indusă de expansiunea termică. Efectul piroelectric secundar domină răspunsul piroelectric în ZnO, CdS și în alte materiale de tip wurzite. Deformarea termică poate induce o diferență de potențial piezoelectric între material, care poate conduce electronii să curgă în circuitul extern. Ieșirea nanogeneratorului este asociată cu coeficientul piezoelectric și cu deformarea termică a materialelor. Curentul de ieșire I al nanogeneratorilor piroelectrici poate fi determinat de ecuația I = pA (dT / dt), unde p este coeficientul piroelectric, A este aria efectivă a NG, dT / dt este rata de schimbare a temperaturii .

Aplicații

Se așteaptă ca nanogeneratorul piroelectric să fie aplicat pentru diverse aplicații în care există fluctuația de temperatură dependentă de timp. Una dintre aplicațiile fezabile ale nanogeneratorului piroelectric este utilizată ca senzor activ, care poate funcționa fără baterie. Un exemplu a fost introdus de grupul profesorului Zhong Lin Wang în 2012 prin utilizarea unui nanogenerator piroelectric ca senzor de temperatură auto-alimentat pentru detectarea unei modificări de temperatură, unde timpul de răspuns și timpul de resetare al senzorului sunt de aproximativ 0,9 și respectiv 3 s . În general, nanogeneratorul piroelectric oferă o tensiune de ieșire ridicată, dar curentul de ieșire este mic. Nu numai că poate fi utilizat ca sursă de energie potențială, ci și ca senzor activ pentru măsurarea variației temperaturii.

Vezi si

• Baterie (electricitate)
• Generator electric
• Sisteme microelectromecanice
• Microputerea
• Sisteme nanoelectromecanice
• Smartdust
• Sisteme Smart Wearable

Referințe

1. ^ ^{a b c d} Wang, Zhong Lin (noiembrie 2019). „Cu privire la primul principiu al teoriei nanogeneratorilor din ecuațiile lui Maxwell”. Nano Energie . 68 : 104272. doi : 10.1016 / j.nanoen.2019.104272 .
2. ^ Maxwell, JC (1861). Revista filozofică și Journal of Science . Londra: Edinburg și Dubline, seria a patra. p. 161.
3. ^ Wang, Zhong Lin; Jiang, Tao; Xu, Liang (septembrie 2017). „Către visul energiei albastre de către rețelele de nanogeneratoare triboelectrice”. Nano Energie . 39 : 9–23. doi : 10.1016 / j.nanoen.2017.06.035 .
4. ^ ^{a b} Wang, Zhong Lin (martie 2017). „Despre curentul de deplasare al lui Maxwell pentru energie și senzori: originea nanogeneratorilor” . Materiale astăzi . 20 (2): 74-82. doi : 10.1016 / j.mattod.2016.12.001 .
5. ^ Wang, ZL; Song, J. (iunie 2006). „Nanogeneratoare piezoelectrice bazate pe tablouri de nanofire cu oxid de zinc” (PDF) . Știință . 312 (5771): 242–246. Bibcode : 2006Sci ... 312..242W . doi : 10.1126 / science.1124005 . PMID  16614215 . S2CID  4810693 .
6. ^ Wang, Zhong Lin; Wang, Xudong; Song, Jinhui; Liu, Jin; Gao, Yifan (2008). „Nanogeneratoare piezoelectrice pentru nanodispoziții auto-alimentate” (PDF) . IEEE Pervasive Computing . 7 (1): 49-55. doi : 10.1109 / mprv.2008.14 . hdl : 1853/25449 . S2CID  35544892 . Adus 15.06.2012 .
7. ^ Wang, Xudong; Song, Jinhui; Liu, Jin; Wang, Zhong Lin (2007). „Nanogenerator cu curent continuu acționat de unde ultrasonice” (PDF) . Știință . 316 (5821): 102–105. Bibcode : 2007Sci ... 316..102W . doi : 10.1126 / science.1139366 . PMID  17412957 . S2CID  33172196 .
8. ^ Choi, MEA; Choi, D .; Jin, MJ; Kim, I .; Kim, SH; Choi, JY; Lee, SY; Kim, JM; Kim, SW (5 iunie 2009). „Nanodispozitive transparente, cu generare de încărcare flexibilă, alimentate mecanic, cu nanoroduri ZnO piezoelectrice” (PDF) . Materiale avansate . 21 (21): 2185-2189. doi : 10.1002 / adma.200803605 . Arhivat din original (PDF) la 4 martie 2016.
9. ^ Choi, D .; Choi, MEA; Shin, HJ; Yoon, SM; SEO, JS; Choi, JY; Lee, SY; Kim, JM; Kim, SW (2010). „Electrozi de nanotuburi de carbon cu pereți unici la nano scară pentru nanogeneratori flexibili transparenți” (PDF) . Journal of Physical Chemistry C . 114 (2): 1379–1384. doi : 10.1021 / jp909713c .
10. ^ Xu, Sheng; Qin, Yong; Xu, Chen; Wei, Yaguang; Yang, Rusen; Wang, Zhong Lin (2010). „Dispozitive nanofire auto-alimentate” (PDF) . Nanotehnologia naturii . 5 (5): 366-373. Cod Bib : 2010NatNa ... 5..366X . doi : 10.1038 / nnano.2010.46 . PMID  20348913 .
11. ^ Momeni, K .; Odegard, GM; Yassar, RS (2010). „Generator electric de nanocompozite bazat pe nanofire de oxid piezoelectric de zinc” (PDF) . Jurnalul de Fizică Aplicată . 108 (11): 114303–114303–7. Bibcode : 2010JAP ... 108k4303M . doi : 10.1063 / 1.3517095 .
12. ^ Qin, Yong; Wang, Xudong; Wang, Zhong Lin (14 februarie 2008). „Structură hibridă microfibră-nanofil pentru eliminarea energiei” (PDF) . Natura . 451 (7180): 809-813. Cod Bib : 2008Natur.451..809Q . doi : 10.1038 / nature06601 . PMID  18273015 . S2CID  4411796 .
    • corectat în Qin, Yong; Wang, Xudong; Wang, Zhong Lin (15 ianuarie 2009). „Structură hibridă din microfibră-nanofil pentru eliminarea energiei” . Natura . 457 (7227): 340. Cod Bib : 2009Natur.457..340Q . doi : 10.1038 / nature07628 .
13. ^ ^{a b} Lin, Y.-F .; Song, J .; Ding, Y .; Lu, S.-Y .; Wang, ZL (14 ianuarie 2008). „Nanogenerator piezoelectric folosind nanofire CdS” (PDF) . Litere de fizică aplicată . 92 (2): 022105. Cod Bib : 2008ApPhL..92b2105L . doi : 10.1063 / 1.2831901 .
14. ^ ^{a b} Huang, Chi-Te; Song, Jinhui; Lee, Wei-Fan; Ding, Yong; Gao, Zhiyuan; Hao, Yue; Chen, Lih-Juann; Wang, Zhong Lin (7 aprilie 2010). „Matrice GaN Nanowire pentru nanogeneratori de mare putere” (PDF) . Jurnalul Societății Chimice Americane . 132 (13): 4766–4771. doi : 10.1021 / ja909863a . PMID  20218713 .
15. ^ Lu, MP; Song, J .; Lu, MEA; Chen, MT; Gao, Y .; Chen, LJ; Wang, ZL (martie 2009). „Nanogenerator piezoelectric folosind tablouri de tip Nanowire ZnO de tip p” (PDF) . Nano Letters . 9 (3): 1223–1227. Cod Bib : 2009NanoL ... 9.1223L . doi : 10.1021 / nl900115y . PMID  19209870 .
16. ^ ^{a b} Wang, Z .; Hu, J .; Suryavanshi, AP; Yum, K .; Yu, MF (octombrie 2007). "Generarea de tensiune de la nanofire individuale BaTiO ₃ sub sarcină mecanică de tracțiune periodică" (PDF) . Nano Letters . 7 (10): 2966–2969. Cod Bib : 2007NanoL ... 7.2966W . doi : 10.1021 / nl070814e . PMID  17894515 . Arhivat din original (PDF) în data de 12-12-2012.
17. ^ ^{a b} Chang, Chieh; Tran, Van H .; Wang, Junbo; Fuh, Yiin-Kuen; Lin, Liwei (10 februarie 2010). "Nanogenerator polimeric piezoelectric cu scriere directă cu eficiență ridicată la conversia energiei" . Nano Letters . 10 (2): 726-731. Cod Bib : 2010NanoL..10..726C . doi : 10.1021 / nl9040719 . PMID  20099876 .
18. ^ Ganeshkumar, Rajasekaran; Sopiha, Kostiantyn V; Wu, Ping; Da, Chin Wei; Zhao, Rong (30.08.2016). "Ferroelectric KNbO3nanofibers: sinteză, caracterizare și aplicarea lor ca nanosenzor de umiditate". Nanotehnologie . 27 (39): 395607. Cod Bib : 2016Nanot..27M5607G . doi : 10.1088 / 0957-4484 / 27/39/395607 . ISSN  0957-4484 . PMID  27573538 .
19. ^ ^{a b} Ganeshkumar, Rajasekaran; Da, Chin Wei; Xu, Ruize; Kim, Sang-Gook; Zhao, Rong (2017). "Un nanogenerator piezoelectric flexibil de înaltă tensiune de ieșire care utilizează nanofibre KNbO3 poroase fără plumb". Litere de fizică aplicată . 111 (1): 013905. Bibcode : 2017ApPhL.111a3905G . doi : 10.1063 / 1.4992786 .
20. ^ Xu, Shiyou; Poirier, Gerald; Yao, Nan (09.05.2012). „Nanofire PMN-PT cu o constantă piezoelectrică foarte mare”. Nano Letters . 12 (5): 2238-2242. Cod Bib : 2012NanoL..12.2238X . doi : 10.1021 / nl204334x . ISSN  1530-6984 . PMID  22494473 .
21. ^ Xu, Shiyou; Da, Yao-wen; Poirier, Gerald; McAlpine, Michael C .; Registrul, Richard A .; Yao, Nan (12.06.2013). „Nanocompozit și dispozitiv nano-cablat PMN-PT flexibil piezoelectric” . Nano Letters . 13 (6): 2393–2398. Bibcode : 2013NanoL..13.2393X . doi : 10.1021 / nl400169t . ISSN  1530-6984 . PMID  23634729 . S2CID  5734138 .
22. ^ Wu, Fan; Cai, Wei; Da, Yao-Wen; Xu, Shiyou; Yao, Nan (01.03.2016). „Eliminarea energiei bazată pe o nanocentură PMN-PT monocristalină” . Rapoarte științifice . 6 : 22513. Bibcode : 2016NatSR ... 622513W . doi : 10.1038 / srep22513 . ISSN  2045-2322 . PMC  4772540 . PMID  26928788 .
23. ^ Xu, Chen; Wang, Xudong; Wang, Zhong Lin (29 aprilie 2009). „Celulă hibridă structurată Nanowire pentru eliminarea simultană a energiilor solare și mecanice” (PDF) . Jurnalul Societății Chimice Americane . 131 (16): 5866-5872. doi : 10.1021 / ja810158x . PMID  19338339 . Arhivat din original (PDF) la 3 martie 2016.
24. ^ Hansen, Benjamin J .; Liu, Ying; Yang, Rusen; Wang, Zhong Lin (27 iulie 2010). "Nanogenerator hibrid pentru recoltarea simultană a energiei biomecanice și biochimice" (PDF) . ACS Nano . 4 (7): 3647-3652. CiteSeerX  10.1.1.600.6928 . doi : 10.1021 / nn100845b . PMID  20507155 .
25. ^ Yang, R .; Qin, Y .; Li, C .; Zhu, G .; Wang, ZL (martie 2009). „Conversia energiei biomecanice în energie electrică printr-un nanogenerator antrenat de mișcare musculară” (PDF) . Nano Letters . 9 (3): 1201-1205. Bibcode : 2009NanoL ... 9.1201Y . doi : 10.1021 / nl803904b . PMID  19203203 .
26. ^ Choi, Dukhyun; Choi, Min-Yeol; Choi, Won Mook; Shin, Hyeon-Jin; Park, Hyun-Kyu; Seo, Ju-Seok; Park, Jongbong; Yoon, Seon-Mi; Chae, Seung Jin; Lee, Young Hee; Kim, Sang-Woo; Choi, Jae-Young; Lee, Sang Yoon; Kim, Jong Min (18 mai 2010). "Nanogeneratoare transparente complet rulabile, bazate pe electrozi de grafen" . Materiale avansate . 22 (19): 2187-2192. doi : 10.1002 / adma.200903815 . PMID  20376853 . S2CID  31674433 .
27. ^ Fan, FR; Tian, ​​ZQ; Lin Wang, Z. (2012). „Generator triboelectric flexibil”. Nano Energie . 1 (2): 328–334. doi : 10.1016 / j.nanoen.2012.01.004 .
28. ^ ^{a b} Wang, ZL (2013). „Nanogeneratorii triboelectrici ca nouă tehnologie energetică pentru sisteme auto-alimentate și ca senzori mecanici și chimici activi” . ACS Nano . 7 (11): 9533-9557. doi : 10.1021 / nn404614z . PMID  24079963 . S2CID  4104990 .
29. ^ Xiong, Pu (25 septembrie 2015). "Încărcarea eficientă a bateriilor Li-Ion cu curent de ieșire pulsat al nanogeneratorilor triboelectrici" . Științe avansate . 3 (1): 1500255. doi : 10.1002 / advs.201500255 . PMC  5054865 . PMID  27774382 .
30. ^ Pacha, Aswathi (30.12.2017). „Nanogeneratorii merg fără fir” . Hindusul . ISSN  0971-751X . Adus 15-08-2019 .
31. ^ Mallineni, Sai Sunil Kumar; Dong, Yongchang; Behlow, Herbert; Rao, Apparao M .; Podila, Ramakrishna (2018). „Un nanogenerator triboelectric fără fir”. Materiale energetice avansate . 8 (10): 1702736. arXiv : 1707.03677 . doi : 10.1002 / aenm.201702736 . ISSN  1614-6840 . S2CID  115401318 .
32. ^ Zhu, G .; Pan, C .; Guo, W .; Chen, CY; Zhou, Y .; Yu, R .; Wang, ZL (2012). „Electrodepoziție de impulsuri generate de generator triboelectric pentru micropatternare”. Nano Letters . 12 (9): 4960–4965. Cod Bib : 2012NanoL..12.4960Z . doi : 10.1021 / nl302560k . PMID  22889363 .
33. ^ Wang, S .; Lin, L .; Wang, ZL (2012). „Conversie a energiei cu efect triboelectric la nano-scară pentru alimentarea durabilă a dispozitivelor electronice portabile”. Nano Letters . 12 (12): 6339–6346. Cod Bib : 2012NanoL..12.6339W . CiteSeerX  10.1.1.653.8167 . doi : 10.1021 / nl303573d . PMID  23130843 .
34. ^ Wang, S .; Lin, L .; Xie, Y .; Jing, Q .; Niu, S .; Wang, ZL (2013). "Nanogeneratoare glisante-triboelectrice bazate pe mecanismul de separare a încărcării în plan". Nano Letters . 13 (5): 2226-2233. Cod Bib : 2013NanoL..13.2226W . CiteSeerX  10.1.1.653.7572 . doi : 10.1021 / nl400738p . PMID  23581714 .
35. ^ Zhu, G .; Chen, J .; Liu, Y .; Bai, P .; Zhou, YS; Jing, Q .; Pan, C .; Wang, ZL (2013). „Generator triboelectric cu rețea liniară bazat pe electrificarea culisantă” . Nano Letters . 13 (5): 2282-2289. Bibcode : 2013NanoL..13.2282Z . doi : 10.1021 / nl4008985 . PMID  23577639 . S2CID  23207686 .
36. ^ Lin, L .; Wang, S .; Xie, Y .; Jing, Q .; Niu, S .; Hu, Y .; Wang, ZL (2013). "Nanogenerator triboelectric cu disc structurat segmentar pentru recoltarea energiei mecanice rotaționale". Nano Letters . 13 (6): 2916–2923. Bibcode : 2013NanoL..13.2916L . CiteSeerX  10.1.1.653.6174 . doi : 10.1021 / nl4013002 . PMID  23656350 .
37. ^ Yang, Y .; Zhou, YS; Zhang, H .; Liu, Y .; Lee, S .; Wang, ZL (2013). "Un nanogenerator triboelectric bazat pe un singur electrod ca sistem de urmărire auto-alimentat". Materiale avansate . 25 (45): 6594–6601. doi : 10.1002 / adma.201302453 . PMID  24166972 .
38. ^ Yang, Y .; Zhang, H .; Chen, J .; Jing, Q .; Zhou, YS; Wen, X .; Wang, ZL (2013). "Nanogenerator triboelectric glisant cu un singur electrod pentru sistem de senzori vectoriali cu deplasare auto-alimentată" . ACS Nano . 7 (8): 7342-7351. doi : 10.1021 / nn403021m . PMID  23883397 . S2CID  5535819 .
39. ^ Yang, W .; Chen, J .; Zhu, G .; Wen, X .; Bai, P .; Su, Y .; Lin, Y .; Wang, Z. (2013). „Recoltarea energiei vibraționale printr-un nanogenerator triboelectric bazat pe triplu consolă”. Nano Research . 6 (12): 880-886. doi : 10.1007 / s12274-013-0364-0 . S2CID  16320893 .
40. ^ Yang, W .; Chen, J .; Zhu, G .; Yang, J .; Bai, P .; Su, Y .; Jing, Q .; Cao, X .; Wang, ZL (2013). „Recoltarea energiei din vibrația naturală a mersului uman” . ACS Nano . 7 (12): 11317–11324. doi : 10.1021 / nn405175z . PMID  24180642 . S2CID  207604785 .
41. ^ Chen, J .; Zhu, G .; Yang, W .; Jing, Q .; Bai, P .; Yang, Y .; Hou, TC; Wang, ZL (2013). "Nanogenerator triboelectric bazat pe rezonanți armonici ca sursă de energie durabilă și senzor de vibrație activă autoalimentat" . Materiale avansate . 25 (42): 6094-6099. doi : 10.1002 / adma.201302397 . PMID  23999798 . S2CID  7505331 .
42. ^ Sala de Medeiros, Marina; Chanci, Daniela; Moreno, Carolina; Goswami, Debkalpa; Martinez, Ramses V. (2019-07-25). „Impermeabil, respirabil și antibacterian e-textil autoalimentat pe bază de nanogeneratori triboelectrici omnifobi”. Materiale funcționale avansate . 29 (42): 1904350. doi : 10.1002 / adfm.201904350 . ISSN  1616-301X .
43. ^ Fan, FR; Lin, L .; Zhu, G .; Wu, W .; Zhang, R .; Wang, ZL (2012). "Nanogeneratoare triboelectrice transparente și senzori de presiune auto-alimentați pe bază de filme de plastic micropatronizate". Nano Letters . 12 (6): 3109-3114. Bibcode : 2012NanoL..12.3109F . CiteSeerX  10.1.1.454.4211 . doi : 10.1021 / nl300988z . PMID  22577731 .
44. ^ Taghavi, Majid; Mattoli, Virgilio; Sadeghi, Ali; Mazzolai, Barbara; Beccai, Lucia (1400024). „Un nou compozit metal-polimer moale pentru recoltarea multidirecțională a energiei sub presiune” . Materiale energetice avansate . 4 (12): 1400024. doi : 10.1002 / aenm.201400024 . Verificați valorile datei în: |date=( ajutor )
45. ^ Lin, L .; Xie, Y .; Wang, S .; Wu, W .; Niu, S .; Wen, X .; Wang, ZL (2013). „Matrice de senzori activi triboelectrici pentru detectarea automată a presiunii statice și dinamice și imagistica tactilă” . ACS Nano . 7 (9): 8266-8274. doi : 10.1021 / nn4037514 . PMID  23957827 . S2CID  29123522 .
46. ^ Taghavi, Majid; Sedeghi, Ali; Mondini, Alessio; Mazzolai, Barbara; Beccai, Lucia; Mattoli, Virgilio (2015). „Elemente de mașini inteligente triboelectrice și codificator auto-alimentat”. Nano Energie . 13 : 92–102. doi : 10.1016 / j.nanoen.2015.02.011 .
47. ^ Lin, ZH; Zhu, G .; Zhou, YS; Yang, Y .; Bai, P .; Chen, J .; Wang, ZL (2013). "Un nanosenzor triboelectric autoalimentat pentru detectarea ionilor de mercur". Angewandte Chemie . 125 (19): 5169-5173. doi : 10.1002 / ange.201300437 . PMID  23568745 .
48. ^ Zi, Yunlong; Niu, Simiao; Wang, Jie; Wen, Zhen; Tang, Wei; Wang, Zhong Lin (2015). „Standarde și cifre de merit pentru cuantificarea performanței nanogeneratorilor triboelectrici” . Comunicări despre natură . 6: 8376: 8376. Cod Bib : 2015NatCo ... 6.8376Z . doi : 10.1038 / ncomms9376 . PMC  4598564 . PMID  26406279 .
49. ^ ^{a b} Xia, Xin; Fu, Jingjing; Zi, Yunlong (2019). „O metodă universală standardizată pentru evaluarea capacității de ieșire a nanogeneratorilor” . Comunicări despre natură . 10: 4428 (1): 4428. Cod Bib : 2019NatCo..10.4428X . doi : 10.1038 / s41467-019-12465-2 . PMC  6765008 . PMID  31562336 .
50. ^ Zi, Yunlong; Wu, Changsheng; Ding, Wenbo; Wang, Zhong Lin (2017). „Producția maximă de energie eficientă a nanogeneratorilor triboelectrici declanșați prin separare de contact, limitată de defectarea aerului” . Materiale funcționale avansate . 27 (24): 1700049. doi : 10.1002 / adfm.201700049 . S2CID  136238915 .
51. ^ Xu, Guoqiang; Li, Xiaoyi; Xia, Xin; Fu, Jingjing; Ding, Wenbo; Zi, Yunlong (2019). „Despre conversia forței și energiei în nanogeneratorii triboelectrici”. Nano Energie . 59 : 154–161. doi : 10.1016 / j.nanoen.2019.02.035 .
52. ^ Niu, Simiao; Wang, Zhong Lin (2015). „Sisteme teoretice de nanogeneratori triboelectrici” . Nano Energie . 14 : 161–191. doi : 10.1016 / j.nanoen.2014.11.034 .
53. ^ Yang, Y .; Pradel, KC; Jing, Q .; Wu, JM; Zhang, F .; Zhou, Y .; Zhang, Y .; Wang, ZL (2012). "Nanogeneratoare termoelectrice bazate pe micro / nanobelte ZnO dopate Sb unice" . ACS Nano . 6 (8): 6984–6989. doi : 10.1021 / nn302481p . PMID  22742540 . S2CID  28899637 .
54. ^ Zook, JD; Liu, ST (1978). „Efecte piroelectrice în peliculă subțire”. Jurnalul de Fizică Aplicată . 49 (8): 4604. Cod Bib : 1978JAP .... 49.4604Z . doi : 10.1063 / 1.325442 .
55. ^ Yang, Y .; Guo, W .; Pradel, KC; Zhu, G .; Zhou, Y .; Zhang, Y .; Hu, Y .; Lin, L .; Wang, ZL (2012). "Nanogeneratoare piroelectrice pentru recoltarea energiei termoelectrice". Nano Letters . 12 (6): 2833–2838. Cod Bib : 2012NanoL..12.2833Y . CiteSeerX  10.1.1.654.3691 . doi : 10.1021 / nl3003039 . PMID  22545631 .
56. ^ Voi, CP; Tamagawa, T .; Polla, DL (1991). „Studii experimentale asupra efectelor pirolectice primare și secundare în filmele subțiri Pb (ZrO _x Ti _1-x ) O ₃ , PbTiO ₃ și ZnO”. Jurnalul de Fizică Aplicată . 70 (10): 5538. Bibcode : 1991JAP .... 70.5538Y . doi : 10.1063 / 1.350212 .
57. ^ Yang, Y .; Jung, JH; Yun, BK; Zhang, F .; Pradel, KC; Guo, W .; Wang, ZL (2012). „Nanogeneratori piroelectrici flexibili care utilizează o structură compozită de nanofire KNbO3 fără plumb” . Materiale avansate . 24 (39): 5357-5362. doi : 10.1002 / adma.201201414 . PMID  22837044 . S2CID  205245776 .
58. ^ Yang, Y .; Zhou, Y .; Wu, JM; Wang, ZL (2012). „Nanogeneratori piroelectrici unici Micro / Nanowire ca senzori de temperatură auto-alimentați” . ACS Nano . 6 (9): 8456-8461. doi : 10.1021 / nn303414u . PMID  22900676 . S2CID  6502534 .

linkuri externe

• Profesorul ZL Wang's Nano Research Group la Georgia Institute of Technology
• Laborator de inginerie științifică și electronică nano (NESEL) la Universitatea Sungkyunkwan (SKKU)
• Laborator de mecanică și fizică la scară nano la Universitatea din Illinois, Urbana-Champaign
• LINLAB la Universitatea din California, Berkeley
• Samsung Advanced Institute of Technology