Nanogeneratore - Nanogenerator

Un Nanogeneratore è un tipo di tecnologia che converte l'energia meccanica / termica prodotta da un cambiamento fisico su piccola scala in elettricità . Un nanogeneratore ha tre approcci tipici: nanogeneratori piezoelettrici , triboelettrici e piroelettrici . Entrambi i nanogeneratori piezoelettrici e triboelettrici possono convertire l'energia meccanica in elettricità. Tuttavia, i nanogeneratori piroelettrici possono essere utilizzati per raccogliere energia termica da una fluttuazione di temperatura dipendente dal tempo .

I nanogeneratori sono indicati come un campo che utilizza la corrente di spostamento come forza motrice per convertire efficacemente l'energia meccanica in energia/segnale elettrico, indipendentemente dal fatto che vengano utilizzati o meno i nanomateriali.

Teoria dei nanogeneratori dalle equazioni di Maxwell

Le equazioni di Maxwell hanno le seguenti forme di base:

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

( 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 )

dove la corrente di spostamento, , fu introdotta per la prima volta da Maxwell nel 1861 per soddisfare l'equazione di continuità per le cariche elettriche. Il vettore di spostamento elettrico D è dato da , e per un mezzo dielettrico isotropo, , quindi . La densità di corrente di spostamento è presentata come ${\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 )

Recentemente, le equazioni di Maxwell sono state ampliate per calcolare la potenza di uscita dei nanogeneratori. Un termine aggiuntivo P _{s è} stato aggiunto per la prima volta in D da Wang nel 2017, dove P _s è la polarizzazione creata dalle cariche elettrostatiche superficiali dovute all'attivazione meccanica, diversa dalla polarizzazione media P indotta dal campo elettrico . La D può essere riscritta come , quindi la densità di corrente di spostamento è ottenuta da ${\displaystyle D=\varepsilon _{0}E+P+P_{s}}$

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

( 2.2 )

Allora le equazioni di Maxwell possono essere espanse come

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

( 3.1 )

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

( 3.2 )

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

( 3.3 )

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

( 3.4 )

Queste equazioni sono i capisaldi per derivare le caratteristiche di uscita dei nanogeneratori, da cui sono state derivate la corrente e la tensione di uscita e la relativa radiazione elettromagnetica di un nanogeneratore.

Teoria generale per la polarizzazione P _s

La polarizzazione P _s creato da cariche superficiali elettrostatiche può essere espressa dalla seguente equazione, quando si definisce la funzione di densità di carica σ _s ( r , t ) sulla superficie del supporto da una funzione di forma f ( r ,  t ) = 0.

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

( 4 )

dove viene introdotta la funzione delta δ ( f ( r , t )) per confinare la forma del mezzo. Attraverso la risoluzione del potenziale elettrico scalare dalle cariche superficiali ${\displaystyle \phi _{s}(r,t)}$

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

( 5 )

la P _s può essere ottenuta da

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

( 6 )

Questa è l'espressione generale della densità di polarizzazione superficiale P _s nell'Eq. (3.1) e (3.4).

Equazione di trasporto attuale per nanogeneratori

La corrente di spostamento è ottenuta da un integrale di superficie di 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 )

dove Q è la quantità totale di carica libera sull'elettrodo. Nei nanogeneratori, la corrente di spostamento domina il circuito interno, mentre la corrente di conduzione capacitiva domina il circuito esterno.

L'attuale comportamento di trasporto di qualsiasi configurazione di nanogeneratori può essere derivato dalla seguente equazione generale

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

( 8 )

dove è la caduta di potenziale dall'elettrodo A all'elettrodo B (Fig. 1), e l'integrale d L è su un percorso dal punto A al punto B. ${\displaystyle \phi _{AB}}$

L'attuale equazione di trasporto per un nanogeneratore piezoelettrico (Fig. 2a) è

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

( 9 )

dove A è l'area dell'elettrodo, z è lo spessore del film piezoelettrico, e σ _p è la densità di carica di polarizzazione.

L'equazione di trasporto corrente per il nanogeneratore triboelettrico nella modalità di separazione dei contatti (Fig. 2b) è

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

( 10 )

dove H ( t ) è una funzione dipendente dalla velocità di contatto tra i due dielettrici. Sulla base dell'equazione di trasporto, è possibile calcolare la corrente di spostamento, il potenziale elettrico, la corrente di uscita e la potenza di uscita per quattro modalità TENG di base.

Proiezioni tecnologiche dalla corrente di spostamento di Maxwell

Il primo termine della corrente di spostamento proposto da Maxwell dà vita alla teoria delle onde elettromagnetiche e l'induzione elettromagnetica provoca l'emergere di antenne, radio, telegrammi, TV, radar, microonde, comunicazioni wireless e tecnologia spaziale. L'unificazione elettromagnetica produce la teoria della luce, ponendo le basi teoriche per l'invenzione del laser e lo sviluppo della fotonica. Il primo componente ha guidato lo sviluppo mondiale della comunicazione e della tecnologia laser nell'ultimo secolo. Il secondo termine proposto per la prima volta da Wang ha posto le basi per i nanogeneratori. L'aggiunta di un termine di nella corrente di spostamento e quindi nelle equazioni di Maxwell estende le loro applicazioni all'energia! I nanogeneratori sono un'altra importante applicazione delle equazioni di Maxwell all'energia e ai sensori dopo la teoria e la tecnologia delle onde elettromagnetiche. ${\displaystyle \varepsilon {\frac {\partial E}{\partial t}}}$${\displaystyle {\frac {\partial P_{s}}{\partial t}}}$${\displaystyle \partial P_{s}/\partial t}$

Nanogeneratore piezoelettrico

Un nanogeneratore piezoelettrico è un dispositivo di raccolta dell'energia in grado di convertire l'energia cinetica esterna in energia elettrica tramite l'azione di un materiale piezoelettrico nanostrutturato . Sebbene la sua definizione possa includere qualsiasi tipo di dispositivo di raccolta dell'energia che utilizza nanostrutture per convertire vari tipi di energia ambientale (ad es. energia solare ed energia termica ), è generalmente utilizzata per indicare dispositivi di raccolta di energia cinetica che utilizzano materiale piezoelettrico su scala nanometrica sin dal suo primo introduzione nel 2006.

Sebbene sia ancora nelle prime fasi di sviluppo, la tecnologia è stata considerata come un potenziale passo avanti verso un'ulteriore miniaturizzazione dei tradizionali raccoglitori di energia, che potrebbe portare a una facile integrazione con altri tipi di raccoglitori di energia e al funzionamento indipendente di dispositivi elettronici mobili con una minore preoccupazione per le fonti di energia.

Meccanismo

Il principio di funzionamento del nanogeneratore verrà spiegato per 2 casi differenti: la forza esercitata perpendicolare e parallela all'asse del nanofilo.

Il principio di funzionamento per il primo caso è spiegato da un nanofilo cresciuto verticalmente soggetto alla punta che si muove lateralmente. Quando una struttura piezoelettrica è soggetta alla forza esterna dalla punta mobile, la deformazione si verifica in tutta la struttura. L' effetto piezoelettrico creerà il campo elettrico all'interno della nanostruttura ; la parte allungata con la deformazione positiva mostrerà il potenziale elettrico positivo, mentre la parte compressa con la deformazione negativa mostrerà il potenziale elettrico negativo. Ciò è dovuto allo spostamento relativo dei cationi rispetto agli anioni nella sua struttura cristallina. Di conseguenza, la punta del nanofilo avrà una distribuzione del potenziale elettrico sulla sua superficie, mentre la parte inferiore del nanofilo sarà neutralizzata poiché è collegata a terra. La tensione massima generata nel nanofilo può essere calcolata con la seguente equazione:

dove κ ₀ è la permettività nel vuoto, κ è la costante dielettrica, e ₃₃ , e ₁₅ e e ₃₁ sono i coefficienti piezoelettrici, ν è il rapporto di Poisson, una è il raggio del nanofilo, l è la lunghezza del nanofilo e ν _max è la deformazione massima della punta del nanofilo.

Il contatto elettrico svolge un ruolo importante per pompare le cariche sulla superficie della punta. Il contatto schottky deve essere formato tra il controelettrodo e la punta del nanofilo poiché il contatto ohmico neutralizzerà il campo elettrico generato sulla punta. Per formare un efficace contatto schottky , l' affinità elettronica (E _a ) deve essere minore della funzione lavoro ( φ ) del metallo che compone il controelettrodo. Per il caso del nanofilo di ZnO con un'affinità elettronica di 4,5 eV, Pt ( φ = 6,1 eV) è un metallo adatto per costruire il contatto schottky . Costruendo il contatto schottky , gli elettroni passeranno al controelettrodo dalla superficie della punta quando il controelettrodo è in contatto con le regioni del potenziale negativo, mentre non verrà generata corrente quando è in contatto con le regioni di il potenziale positivo, nel caso di nanostrutture semiconduttive di tipo n ( la struttura semiconduttiva di tipo p mostrerà il fenomeno inverso poiché il foro è mobile in questo caso). La formazione del contatto schottky contribuisce di conseguenza anche alla generazione del segnale di uscita in corrente continua.

Per il secondo caso, viene considerato un modello con un nanofilo cresciuto verticalmente impilato tra il contatto ohmico in basso e il contatto schottky in alto. Quando la forza viene applicata verso la punta del nanofilo, la compressione uniassiale viene generata nel nanofilo. A causa dell'effetto piezoelettrico , la punta del nanofilo avrà un potenziale piezoelettrico negativo , aumentando il livello di Fermi sulla punta. Poiché di conseguenza gli elettroni fluiranno dalla punta verso il basso attraverso il circuito esterno, sulla punta verrà generato il potenziale elettrico positivo. Il contatto schottky barrica gli elettroni trasportati attraverso l'interfaccia, mantenendo quindi il potenziale sulla punta. Quando la forza viene rimossa, l' effetto piezoelettrico diminuisce e gli elettroni tornano verso l'alto per neutralizzare il potenziale positivo sulla punta. Il secondo caso genererà un segnale di uscita in corrente alternata.

Configurazione geometrica

A seconda della configurazione del piezoelettrico nanostruttura , la maggior parte del nanogeneratore possono essere classificati in 3 tipi: VING , LING e "NEG". Tuttavia, esiste una configurazione che non rientra nelle suddette categorie, come affermato in altro tipo.

Nanogeneratore integrato verticale a nanofili (VING) .

VING è una configurazione tridimensionale costituita da una pila di 3 strati in generale, che sono l'elettrodo di base, la nanostruttura piezoelettrica cresciuta verticalmente e il controelettrodo. La nanostruttura piezoelettrica viene solitamente accresciuta dall'elettrodo di base mediante varie tecniche di sintesi, che vengono poi integrate con il controelettrodo a contatto meccanico totale o parziale con la sua punta.

Dopo che il professor Zhong Lin Wang del Georgia Institute of Technology ha introdotto una configurazione di base di VING nel 2006 dove ha utilizzato una punta di microscopio a forza atomica (AFM) per indurre la deformazione di un singolo nanofilo di ZnO verticale , è seguito il primo sviluppo di VING nel 2007. Il primo VING utilizza il controelettrodo con il reticolo superficiale periodico che ricorda le matrici della punta AFM come elettrodo in movimento. Poiché il controelettrodo non è a pieno contatto con le punte del nanofilo piezoelettrico , il suo movimento in piano o fuori piano avvenuto per la vibrazione esterna induce la deformazione della nanostruttura piezoelettrica , portando alla generazione della distribuzione del potenziale elettrico all'interno di ogni singolo nanofilo . Il controelettrodo è rivestito con il metallo che forma il contatto schottky con la punta del nanofilo , dove solo la porzione compressa del nanofilo piezoelettrico consentirebbe agli elettroni accumulati di passare attraverso la barriera tra la sua punta e il controelettrodo, in caso di tipo n nanofilo . La caratteristica di accensione e spegnimento di questa configurazione mostra la sua capacità di generare la generazione di corrente continua senza alcun requisito per il raddrizzatore esterno .

Nel VING con contatto parziale, la geometria del controelettrodo gioca un ruolo importante. Il controelettrodo piatto non indurrebbe la deformazione sufficiente delle nanostrutture piezoelettriche , specialmente quando il controelettrodo si muove in modalità in-plane. Dopo la geometria di base che ricorda l'array di punte AFM , sono stati seguiti alcuni altri approcci per un facile sviluppo del controelettrodo. Il gruppo del professor Zhong Lin Wang ha generato un controelettrodo composto da nanotubi di ZnO utilizzando la tecnica simile utilizzata per sintetizzare l' array di nanofili di ZnO . Il gruppo del professor Sang-Woo Kim della Sungkyunkwan University (SKKU) e il gruppo del Dr. Jae-Young Choi del Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) in Corea del Sud hanno introdotto un controelettrodo trasparente a forma di ciotola combinando l'alluminio anodizzato e la tecnologia galvanica . Hanno anche sviluppato l'altro tipo di controelettrodo utilizzando nanotubi di carbonio a parete singola ( SWNT ) collegati in rete sul substrato flessibile, che non solo è efficace per la conversione dell'energia, ma è anche trasparente.

È stato suggerito anche l'altro tipo di VING. Sebbene condivida l'identica configurazione geometrica con il suddetto, tale VING ha un contatto meccanico completo tra le punte dei nanofili e il controelettrodo. Questa configurazione è efficace per applicazioni in cui la forza viene esercitata in direzione verticale (verso l'asse c del nanofilo piezoelettrico ) e genera corrente alternata (AC) a differenza dei VING con contatto parziale.

Nanogeneratore integrato a nanocavo laterale (LING) .

LING è una configurazione bidimensionale composta da tre parti: l'elettrodo di base, la nanostruttura piezoelettrica cresciuta lateralmente e l'elettrodo metallico per il contatto schottky. Nella maggior parte dei casi, lo spessore del film di substrato è molto più spesso del diametro della nanostruttura piezoelettrica , quindi la singola nanostruttura è soggetta allo sforzo di trazione puro.

LING è un'espansione del generatore a filo singolo (SWG), in cui un nanofilo allineato lateralmente è integrato sul substrato flessibile. SWG è piuttosto una configurazione scientifica utilizzata per verificare la capacità di generazione di energia elettrica di un materiale piezoelettrico ed è ampiamente adottata nella fase iniziale dello sviluppo.

A partire dai VING con contatto meccanico completo, LING genera un segnale elettrico CA. La tensione di uscita può essere amplificata costruendo un array di LING collegati in serie sul singolo substrato, portando all'addizione costruttiva della tensione di uscita. Una tale configurazione può portare all'applicazione pratica di LING per il recupero di energia su larga scala, ad esempio, il vento o le onde dell'oceano.

Generatori elettrici nanocompositi (NEG) .

"NEG" è una configurazione tridimensionale costituita da tre parti principali: gli elettrodi a piastra metallica, la nanostruttura piezoelettrica cresciuta verticalmente e la matrice polimerica che si riempie in mezzo nella nanostruttura piezoelettrica .

NEG è stato introdotto da Momeni et al. È stato dimostrato che il NEG ha un'efficienza maggiore rispetto alla configurazione originale del nanogeneratore in cui un nanofilo di ZnO sarà piegato da una punta AFM. È anche dimostrato che fornisce una fonte di energia con una maggiore sostenibilità.

Altro tipo . La configurazione geometrica simile a un tessuto è stata suggerita dal professor Zhong Lin Wang nel 2008. Il nanofilo piezoelettrico è cresciuto verticalmente sulle due microfibre nella sua direzione radiale e sono attorcigliate per formare un nanogeneratore. Una delle microfibre è rivestita con il metallo per formare un contatto schottky, che funge da controelettrodo dei VING. Quando la microfibra mobile viene allungata, la deformazione della nanostruttura si verifica sulla microfibra fissa, con conseguente generazione di tensione. Il suo principio di funzionamento è identico ai VING con contatto meccanico parziale, generando così un segnale elettrico DC.

Materiali

Tra i vari materiali piezoelettrici studiati per il nanogeneratore, molte delle ricerche si sono concentrate sui materiali con struttura wurtzite come ZnO , CdS e GaN . Il più grande vantaggio di questi materiali deriva dalla tecnica di fabbricazione facile ed economica, la sintesi idrotermale . Poiché la sintesi idrotermale può essere condotta in un ambiente a bassa temperatura sotto i 100 ° C oltre alla crescita verticale e cristallina, questi materiali possono essere integrati in vari substrati con una minore preoccupazione per le sue caratteristiche fisiche come la temperatura di fusione.

Gli sforzi per migliorare la piezoelettricità del singolo nanofilo hanno portato anche allo sviluppo di altri materiali piezoelettrici basati sulla struttura di Wurtzite . Il professor Zhong Lin Wang del Georgia Institute of Technology ha introdotto il nanofilo ZnO di tipo p . A differenza della nanostruttura semiconduttiva di tipo n , la particella mobile di tipo p è un buco, quindi il comportamento schottky è invertito rispetto a quello del caso di tipo n; il segnale elettrico è generato dalla porzione della nanostruttura dove si accumulano i fori. È stato dimostrato sperimentalmente che il nanofilo di ZnO di tipo p può generare il segnale di uscita vicino a 10 volte quello del nanofilo di ZnO di tipo n .

Dall'idea che il materiale con struttura perovskite è noto per avere caratteristiche piezoelettriche più efficaci rispetto a quello con struttura wurtzite , il nanofilo di titanato di bario (BaTiO ₃ ) è stato studiato anche dal professor Min-Feng Yu dell'Università dell'Illinois a Urbana Champaign . Il segnale di uscita risulta essere più di 16 volte quello di un nanofilo ZnO simile .

Il professor Liwei Lin dell'Università della California, Berkeley, ha suggerito che il PVDF può essere applicato anche per formare un nanogeneratore. Essendo un polimero, il PVDF utilizza un elettrofilatura in campo vicino per la sua fabbricazione, che è una tecnica piuttosto diversa rispetto ad altri materiali. La nanofibra può essere scritta direttamente sul substrato che controlla il processo e questa tecnica dovrebbe essere applicata per formare tessuti autoalimentati a base di nanofibre . I ricercatori di SUTD hanno presentato la sintesi riuscita di nanofibre di niobato di potassio (KNbO ₃ ) ultra lunghe utilizzando un processo di elettrofilatura a campo lontano assistito da sol-gel e le hanno utilizzate per sviluppare un nanogeneratore flessibile ad alta tensione di uscita.

Considerando che la costante piezoelettrica gioca un ruolo critico nelle prestazioni complessive di un nanogeneratore piezoelettrico, un'altra direzione di ricerca per migliorare l'efficienza del dispositivo è trovare nuovo materiale con una grande risposta piezoelettrica. Piombo Magnesio Niobato-Titanato di Piombo (PMN-PT) è un materiale piezoelettrico di nuova generazione con una costante piezoelettrica estremamente elevata quando si ottengono composizione e orientamento ideali. Nel 2012, i nanofili PMN-PT con una costante piezoelettrica molto elevata sono stati fabbricati mediante un approccio idrotermico e quindi assemblati in un dispositivo per la raccolta di energia. La costante piezoelettrica record è stata ulteriormente migliorata dalla fabbricazione di una nanocintura PMN-PT a cristallo singolo, che è stata poi utilizzata come elemento costitutivo essenziale per un nanogeneratore piezoelettrico.

Il confronto dei materiali segnalati entro il 2010 è riportato nella tabella seguente.

Materiale	Tipo	Geometria	Tensione di uscita	Potenza di uscita	Sintesi	Ricercato presso
ZnO (tipo n)	wurtzite	D: ~100 nm, L: 200~500 nm	V P =~9 mV @ R=500 MΩ	~0,5 pW per ciclo (stimato)	CVD, processo idrotermale	Georgia Tech.
ZnO (tipo p)	wurtzite	D: ~50 nm, L: ~600 nm	V P =50~90 mV @ R=500 MΩ	5~16,2 pW per ciclo (calcolato)	CVD	Georgia Tech.
ZnO-ZnS	Wurtzite (eterostruttura)	Non specificato	V P =~6 mV @ R=500 MΩ	~0.1 pW per ciclo (calcolato)	Evaporazione termica e incisione	Georgia Tech.
GaN	wurtzite	D: 25~70 nm, L: 10~20 μm	V media =~20 mV, V max =~0,35 V@ R=500 MΩ	~0.8 pW per ciclo (media, calcolata)	CVD	Georgia Tech.
CdS	wurtzite	D: ~100 nm, L: 1 μm	V P = ~ 3 mV	Non specificato	PVD, processo idrotermale	Georgia Tech.
BaTiO 3	perovskite	D: ~280 nm, L: ~15 μm	V P =~25 mV @ R=100 MΩ	~0.3 aJ per ciclo (dichiarato)	Reazione chimica ad alta temperatura	UIUC
PVDF	Polimero	D: 0,5~6,5 μm, L: 0,1~0,6 mm	V P = 5 ~ 30 mV	2,5 pW~90 pW per ciclo (calcolato)	Elettrofilatura	UC Berkeley
KNbO 3	perovskite	D: ~100nm; L: pochi cm	Vp = ~16 V @ R=100 MΩ		Elettrofilatura	SUTD/MIT

Applicazioni

Il nanogeneratore dovrebbe essere applicato per varie applicazioni in cui esiste l'energia cinetica periodica, come il vento e le onde dell'oceano su larga scala per il movimento muscolare dal battito del cuore o l'inalazione del polmone su piccola scala. Le ulteriori applicazioni possibili sono le seguenti.

Dispositivi nano/micro autoalimentati . Una delle possibili applicazioni del nanogeneratore è una fonte di energia indipendente o supplementare per nano/micro dispositivi che consumano quantità di energia relativamente basse in una condizione in cui l'energia cinetica viene fornita continuamente. Un esempio è stato introdotto dal gruppo del professor Zhong Lin Wang nel 2010 dal sensore di pH o UV autoalimentato integrato VING con una tensione di uscita di 20~40 mV sul sensore.

Tuttavia, l'energia elettrica convertita è relativamente piccola per il funzionamento di dispositivi nano/micro; pertanto il campo della sua applicazione è ancora limitato come fonte di energia supplementare alla batteria. La svolta è ricercata combinando il nanogeneratore con altri tipi di dispositivi per la raccolta di energia, come celle solari o raccoglitori di energia biochimici. Questo approccio dovrebbe contribuire allo sviluppo della fonte di energia adatta per l'applicazione in cui il funzionamento indipendente è cruciale, come Smartdust .

Sistemi indossabili intelligenti . Il corredo integrato o realizzato dei tessuti con la fibra piezoelettrica è una delle possibili applicazioni del nanogeneratore. L'energia cinetica dal corpo umano viene convertita in energia elettrica attraverso le fibre piezoelettriche e può essere eventualmente applicata per alimentare i dispositivi elettronici portatili come il sistema di monitoraggio della salute collegato ai sistemi Smart Wearable . Il nanogeneratore come VING può anche essere facilmente integrato nella scarpa sfruttando il movimento del corpo umano.

Un'altra applicazione simile è una pelle artificiale che genera energia. Il gruppo del professor Zhong Lin Wang ha mostrato la possibilità generando una tensione CA fino a 100 mV dall'SWG flessibile attaccato al criceto in corsa.

Dispositivi trasparenti e flessibili . Alcune delle nanostrutture piezoelettriche possono essere formate in vari tipi di substrati, come substrati organici flessibili e trasparenti. I gruppi di ricerca in SKKU (gruppo del Professor Sang-Woo Kim) e SAIT (gruppo del Dr. Jae-Young Choi) hanno sviluppato il nanogeneratore trasparente e flessibile che può essere eventualmente utilizzato per sensori tattili autoalimentati e hanno previsto che lo sviluppo possa essere esteso ai dispositivi touch screen ad alta efficienza energetica. Il loro obiettivo di ricerca viene esteso per migliorare la trasparenza del dispositivo e l'efficienza in termini di costi sostituendo l'elettrodo di ossido di indio-stagno ( ITO ) con uno strato di grafene .

Ricevitore di energia telemetrico impiantabile . Il nanogeneratore basato su nanofili di ZnO può essere applicato per dispositivi impiantabili poiché ZnO non solo è biocompatibile ma può anche essere sintetizzato sul substrato organico, rendendo il nanogeneratore biocompatibile nel suo complesso. Il dispositivo impiantabile integrato con il nanogeneratore può essere azionato ricevendo la vibrazione ultrasonica esterna al di fuori del corpo umano, che viene convertita in energia elettrica dalla nanostruttura piezoelettrica .

Nanogeneratore triboelettrico

Panoramica

Un nanogeneratore triboelettrico è un dispositivo di raccolta dell'energia che converte l'energia meccanica esterna in elettricità mediante una combinazione di effetto triboelettrico e induzione elettrostatica . Questo nuovo tipo di nanogeneratore è stato dimostrato per la prima volta nel gruppo del Prof. Zhong Lin Wang al Georgia Institute of Technology nell'anno 2012. Per quanto riguarda questa unità di generazione di energia, nel circuito interno, viene creato un potenziale dall'effetto triboelettrico dovuto alla carica trasferimento tra due sottili film organici/inorganici che presentano tribopolarità opposta; nel circuito esterno, gli elettroni vengono spinti a fluire tra due elettrodi fissati sui lati posteriori dei film per bilanciare il potenziale. Poiché i materiali più utili per TENG sono organici, viene anche chiamato nanogeneratore organico, che è il primo ad utilizzare materiali organici per la raccolta di energia meccanica.

Dal primo rapporto del TENG nel gennaio 2012, la densità di potenza di uscita del TENG è stata migliorata di cinque ordini di grandezza entro 12 mesi. La densità di potenza dell'area raggiunge i 313 W/m ² , la densità di volume raggiunge i 490 kW/m ³ e sono state dimostrate efficienze di conversione di ~ 60%-72%. Oltre alle prestazioni di uscita senza precedenti, questa nuova tecnologia energetica ha anche una serie di altri vantaggi, come il basso costo di produzione e fabbricazione, eccellente robustezza e affidabilità e rispetto dell'ambiente. Il nanogeneratore triboelettrico può essere applicato per raccogliere tutta l'energia meccanica disponibile ma sprecata nella nostra vita quotidiana, come il movimento umano, la camminata, le vibrazioni, l'attivazione meccanica, il pneumatico rotante, il vento, l'acqua che scorre e altro ancora.

Ancora più importante, il gruppo di Ramakrishna Podila presso la Clemson University ha dimostrato i primi nanogeneratori triboelettrici veramente wireless, in grado di caricare in modalità wireless dispositivi di accumulo di energia (ad esempio batterie e condensatori) senza bisogno di amplificazioni e booster esterni. Questi generatori wireless potrebbero aprire la strada a nuovi sistemi che potrebbero essere utilizzati per raccogliere energia meccanica e trasmettere in modalità wireless l'energia generata per lo stoccaggio.

Il nanogeneratore triboelettrico ha tre modalità operative di base: modalità di separazione dei contatti verticale, modalità di scorrimento nel piano e modalità a elettrodo singolo. Hanno caratteristiche diverse e sono adatte a diverse applicazioni.

Modalità e meccanismi di base

Modalità di separazione dei contatti verticale

Il meccanismo di funzionamento del nanogeneratore triboelettrico può essere descritto come la variazione periodica della differenza di potenziale indotta dalla separazione ciclica e dal ricontatto delle cariche triboelettriche opposte sulle superfici interne dei due fogli. Quando viene applicata un'agitazione meccanica sul dispositivo per piegarlo o premerlo, le superfici interne dei due fogli entreranno in stretto contatto e inizierà il trasferimento di carica, lasciando un lato della superficie con cariche positive e l'altro con cariche negative. Questo è solo l' effetto triboelettrico . Quando la deformazione viene rilasciata, le due superfici con cariche opposte si separeranno automaticamente, in modo che queste cariche triboelettriche opposte generino un campo elettrico intermedio e quindi inducano una differenza di potenziale tra gli elettrodi superiore e inferiore. Per schermare questa differenza di potenziale, gli elettroni verranno spinti a fluire da un elettrodo all'altro attraverso il carico esterno. L'elettricità generata in questo processo continuerà fino a quando i potenziali dei due elettrodi torneranno pari. Successivamente, quando i due fogli vengono nuovamente premuti l'uno verso l'altro, la differenza di potenziale indotta dalla carica triboelettrica inizierà a diminuire fino a zero, in modo che le cariche trasferite rifluiranno attraverso il carico esterno, per generare un altro impulso di corrente nella direzione opposta . Quando questa deformazione meccanica periodica dura, i segnali di corrente alternata (AC) verranno generati continuamente.

Per quanto riguarda la coppia di materiali che entrano in contatto e generano cariche triboelettriche, almeno uno di essi deve essere un isolante , in modo che le cariche triboelettriche non possano essere condotte via ma rimangano sulla superficie interna del foglio. Quindi, queste cariche triboelettriche immobili possono indurre un flusso di elettricità CA nel carico esterno sotto la variazione periodica della distanza.

Modalità di scorrimento laterale

Ci sono due processi fondamentali di attrito: contatto normale e scorrimento laterale. Abbiamo dimostrato qui un TENG progettato in base allo scorrimento nel piano tra le due superfici in direzione laterale. Con un'intensa triboelettrificazione facilitata dall'attrito radente, un cambiamento periodico nell'area di contatto tra due superfici porta ad una separazione laterale dei centri di carica, che crea una caduta di tensione per guidare il flusso di elettroni nel carico esterno. Il meccanismo di generazione di elettricità indotta dallo scorrimento è rappresentato schematicamente nella figura. Nella posizione originale, le due superfici polimeriche si sovrappongono completamente e si toccano intimamente l'una con l'altra. A causa della grande differenza nella capacità di attrarre elettroni, la triboelettrificazione lascerà una superficie con cariche nette positive e l'altra con cariche nette negative con uguale densità. Poiché le tribo-cariche sugli isolanti si distribuiranno solo nello strato superficiale e non fuoriusciranno per un lungo periodo di tempo, la separazione tra la superficie caricata positivamente e la superficie caricata negativamente è trascurabile in questa posizione di sovrapposizione, e quindi ci sarà essere una piccola caduta di potenziale elettrico tra i due elettrodi. Una volta che la piastra superiore con la superficie caricata positivamente inizia a scorrere verso l'esterno, viene avviata la separazione della carica nel piano a causa della diminuzione dell'area della superficie di contatto. Le cariche separate genereranno un campo elettrico che punta da destra a sinistra quasi parallelo alle piastre, inducendo un potenziale più alto all'elettrodo superiore. Questa differenza di potenziale guiderà un flusso di corrente dall'elettrodo superiore all'elettrodo inferiore per generare una caduta di potenziale elettrico che annulla il potenziale indotto dalla tribo-carica. Poiché la distanza verticale tra lo strato di elettrodo e la superficie polimerica tribo-caricata è trascurabile rispetto alla distanza di separazione di carica laterale, la quantità delle cariche trasferite sugli elettrodi è approssimativamente uguale alla quantità delle cariche separate a qualsiasi spostamento di scorrimento. Pertanto, il flusso di corrente continuerà con la continuazione del processo di scorrimento in corso che continua ad aumentare le cariche separate, fino a quando la piastra superiore non scivola completamente fuori dalla piastra inferiore e le superfici caricate tribo sono completamente separate. La corrente misurata dovrebbe essere determinata dalla velocità con cui le due piastre vengono allontanate. Successivamente, quando la piastra superiore viene riportata a scorrere all'indietro, le cariche separate iniziano a tornare in contatto ma senza annichilimento a causa della natura isolante dei materiali polimerici. Le cariche ridondanti trasferite sugli elettrodi rifluiranno attraverso il carico esterno all'aumentare dell'area di contatto, al fine di mantenere l'equilibrio elettrostatico. Ciò contribuirà a un flusso di corrente dall'elettrodo inferiore all'elettrodo superiore, insieme al secondo mezzo ciclo di scorrimento. Una volta che le due piastre raggiungono la posizione di sovrapposizione, le superfici cariche entrano nuovamente in contatto completo. Non ci saranno cariche trasferite rimaste sull'elettrodo e il dispositivo tornerà al primo stato. In questo intero ciclo, i processi di scorrimento verso l'esterno e verso l'interno sono simmetrici, quindi ci si dovrebbe aspettare una coppia di picchi di corrente alternata simmetrici.

Il meccanismo di separazione della carica nel piano può funzionare sia in uno scorrimento direzionale tra due piastre che in modalità di rotazione. Nella modalità scorrevole, l'introduzione di reticoli lineari o segmentazioni circolari sulle superfici di scorrimento è un mezzo estremamente efficiente per la raccolta di energia. Con tali strutture, due superfici triboelettriche modellate possono raggiungere una posizione completamente disadattata attraverso uno spostamento di solo una lunghezza dell'unità di reticolo anziché dell'intera lunghezza del TENG in modo da aumentare notevolmente l'efficienza di trasporto delle cariche indotte.

Modalità a elettrodo singolo

Un nanogeneratore triboelettrico basato su un singolo elettrodo viene introdotto come progetto più pratico e fattibile per alcune applicazioni come il nanogeneratore triboelettrico azionato dalla punta delle dita. Il principio di funzionamento del TENG a singolo elettrodo è schematicamente mostrato in figura dall'accoppiamento dell'elettrificazione del contatto e dell'induzione elettrostatica. Nella posizione originale, le superfici della pelle e del PDMS sono completamente a contatto l'una con l'altra, con conseguente trasferimento di carica tra di loro. Secondo la serie triboelettrica, gli elettroni sono stati iniettati dalla pelle al PDMS poiché il PDMS è più triboelettricamente negativo della pelle, che è il processo di elettrificazione del contatto. Le cariche triboelettriche prodotte con polarità opposte sono completamente bilanciate/schermate, portando a nessun flusso di elettroni nel circuito esterno. Una volta che si verifica una separazione relativa tra PDMS e pelle, queste cariche triboelettriche non possono essere compensate. Le cariche negative sulla superficie del PDMS possono indurre cariche positive sull'elettrodo ITO, guidando gli elettroni liberi a fluire dall'elettrodo ITO a terra. Questo processo di induzione elettrostatica può fornire un segnale di tensione/corrente in uscita se la distanza che separa la pelle a contatto e il PDMS inferiore è sensibilmente paragonabile alla dimensione del film PDMS. Quando le cariche triboelettriche negative sul PDMS sono completamente schermate dalle cariche positive indotte sull'elettrodo ITO aumentando la distanza di separazione tra il PDMS e la pelle, non è possibile osservare segnali di uscita, come illustrato. Inoltre, quando la pelle è stata ripristinata per avvicinarsi al PDMS, le cariche positive indotte sull'elettrodo ITO diminuiscono e gli elettroni fluiranno dalla terra all'elettrodo ITO fino a quando la pelle e il PDMS non si toccano nuovamente, determinando una tensione di uscita invertita /segnale di corrente. Questo è un ciclo completo del processo di generazione di elettricità per il TENG in modalità di separazione dei contatti.

Applicazioni

TENG è un processo fisico di conversione dell'agitazione meccanica in un segnale elettrico attraverso i processi di triboelettrificazione (nel circuito interno) e di induzione elettrostatica (nel circuito esterno). Questo processo di base è stato dimostrato per due applicazioni principali. La prima applicazione è la raccolta di energia con un particolare vantaggio della raccolta di energia meccanica. L'altra applicazione è quella di fungere da sensore attivo autoalimentato, poiché non necessita di una fonte di alimentazione esterna per l'azionamento.

Raccolta dell'energia delle vibrazioni

Le vibrazioni sono il risultato dei fenomeni più popolari nella società, dal camminare, dalle voci, dalle vibrazioni del motore, dall'automobile, dal treno, dall'aereo, dal vento e molti altri. Esiste quasi ovunque e in ogni momento. La raccolta dell'energia delle vibrazioni è di grande valore soprattutto per l'alimentazione dell'elettronica mobile, in particolare in combinazione con tecniche complementari di raccolta dell'energia bilanciata. Sono state dimostrate varie tecnologie basate sui principi fondamentali dei nanogeneratori triboelettrici per la raccolta dell'energia delle vibrazioni. Questa applicazione del nanogeneratore triboelettrico è stata dimostrata nei seguenti aspetti: 1. La tecnica a sbalzo è un approccio classico per la raccolta di energia meccanica, in particolare per i MEMS. Progettando la superficie di contatto di un cantilever con le superfici superiore e inferiore durante la vibrazione, è stato dimostrato che TENG è in grado di raccogliere l'energia delle vibrazioni ambientali in base alla modalità di separazione dei contatti. 2. Per raccogliere l'energia da uno zaino, abbiamo dimostrato un TENG progettato razionalmente con griglia rombica integrata, che ha notevolmente migliorato l'uscita di corrente totale grazie alle celle unitarie strutturalmente moltiplicate collegate in parallelo. 3. Con l'uso di 4 molle di supporto, è stato fabbricato un TENG basato su un risonatore armonico basato sulla separazione del contatto indotta dalla risonanza tra i due materiali triboelettrici, che è stato utilizzato per raccogliere energia di vibrazione da un motore di automobile, un divano e un scrivania. 4. Recentemente, è stato progettato un nanogeneratore triboelettrico tridimensionale (3D-TENG) basato su una modalità di ibridazione di congiunzione della modalità di separazione del contatto verticale e della modalità di scorrimento nel piano.36 Il design innovativo facilita la raccolta di energia di vibrazione casuale in più direzioni su un'ampia larghezza di banda. Il 3-D TENG è progettato per raccogliere l'energia delle vibrazioni ambientali, specialmente alle basse frequenze, in una serie di condizioni nella vita quotidiana, aprendo così le applicazioni di TENG nel monitoraggio ambientale/delle infrastrutture, nella ricarica dell'elettronica portatile e nell'internet delle cose.

Raccogliere energia dal movimento del corpo umano

Poiché c'è un'abbondante energia meccanica generata sui corpi umani nella vita quotidiana delle persone, possiamo utilizzare il nanogeneratore triboelettrico per convertire questa quantità di energia meccanica in elettricità, per caricare l'elettronica portatile e le applicazioni biomediche. Ciò contribuirà a migliorare notevolmente la comodità della vita delle persone e ad espandere l'applicazione dell'elettronica personale. È stata dimostrata una soletta confezionata per la generazione di energia con nanogeneratori triboelettrici multistrato flessibili incorporati, che consentono di raccogliere la pressione meccanica durante la normale camminata. Il TENG utilizzato qui si basa sulla modalità di separazione dei contatti ed è efficace nel rispondere alla compressione periodica della soletta. Utilizzando la soletta come fonte di alimentazione diretta, sviluppiamo una scarpa autoilluminante completamente confezionata che ha ampie applicazioni per scopi di visualizzazione e intrattenimento. Un TENG può essere attaccato allo strato interno di una maglietta per raccogliere energia dal movimento del corpo. In generale, l'uscita massima di tensione e densità di corrente è fino a 17 V e 0,02 μA/cm ² , rispettivamente. Il TENG con un singolo strato di 2 cm × 7 cm × 0,08 cm attaccato ai vestiti è stato dimostrato come una fonte di energia sostenibile che non solo può illuminare direttamente 30 diodi a emissione di luce (LED), ma può anche caricare uno ione di litio batteria battendo insistentemente i vestiti.

Sensori di deformazione/forza attivi autoalimentati

Un nanogeneratore triboelettrico genera automaticamente una tensione e una corrente di uscita una volta attivato meccanicamente. L'ampiezza o il segnale di uscita indica l'impatto della deformazione meccanica e il suo comportamento dipendente dal tempo. Questo è il principio base del TENG può essere applicato come sensore di pressione autoalimentato. Il segnale di uscita in tensione può riflettere la pressione applicata indotta da una goccia d'acqua. Tutti i tipi di TENG hanno un'elevata sensibilità e una risposta rapida alla forza esterna e si mostrano come un segnale di picco acuto. Inoltre, è possibile rilevare la risposta all'impatto di un pezzo di piuma (20 mg, ~0,4 Pa di pressione di contatto). Il segnale del sensore può mostrare delicatamente questi dettagli dell'intero processo. I risultati esistenti mostrano che il nostro sensore può essere applicato per misurare la sottile pressione nella vita reale.

Anche il sensore di pressione attivo è stato sviluppato sotto forma di un composito. Il termine di Triboelectric Composite si riferisce a un polimero a forma di spugna con filo incorporato. L'applicazione di pressione e impatto sul composito in qualsiasi direzione provoca la separazione di carica tra il polimero morbido e il filo attivo a causa della presenza di traferro composito. Il filo passivo come secondo elettrodo può essere incorporato all'interno della spugna senza alcun traferro o posizionato fuori dal composito consentendo al sensore di funzionare in modalità a elettrodo singolo.

Nel caso in cui realizziamo una matrice di nanogeneratori triboelettrici, è possibile realizzare una mappa della pressione di ampia area e autoalimentata applicata su una superficie. La risposta dell'array TENG con la pressione locale è stata misurata attraverso un sistema di misura multicanale. Esistono due tipi di segnali in uscita dal TENG: tensione a circuito aperto e corrente di cortocircuito. La tensione a circuito aperto è dettata solo dalla configurazione finale del TENG dopo l'applicazione di un innesco meccanico, quindi è una misura dell'entità della deformazione, che è attribuita alle informazioni statiche fornite dal TENG. La corrente di uscita dipende dalla velocità con cui scorrerebbe la carica indotta, in modo che il segnale di corrente sia più sensibile al processo dinamico di come viene applicato l'innesco meccanico.

Il sensore di pressione attivo e l'array di sensori integrato basato sull'effetto triboelettrico presentano numerosi vantaggi rispetto ai sensori di pressione passivi convenzionali. Innanzitutto, il sensore attivo è in grado sia di rilevare la pressione statica utilizzando la tensione a circuito aperto sia di rilevare la pressione dinamica utilizzando la corrente di cortocircuito, mentre i sensori convenzionali di solito non sono in grado di rilevare la dinamica per fornire le informazioni sulla velocità di caricamento. In secondo luogo, la pronta risposta del rilevamento sia statico che dinamico consente di rivelare dettagli sulla pressione di carico. Terzo, il limite di rilevamento del TENG per il rilevamento dinamico è di appena 2,1 Pa, a causa dell'elevata potenza del TENG. In quarto luogo, l'array di sensori attivi presentato in questo lavoro non ha consumo energetico e potrebbe persino essere combinato con la sua funzionalità di raccolta di energia per la mappatura della pressione autoalimentata. I lavori futuri in questo campo riguardano la miniaturizzazione della dimensione dei pixel per ottenere una risoluzione spaziale più elevata e l'integrazione della matrice TEAS su un substrato completamente flessibile per l'imaging della pressione adattivo alla forma.

Sensori di movimento autoalimentati

Il termine di sensori autoalimentati può riflettere ben oltre il semplice segnale di uscita in tensione. Può riferirsi a un sistema che alimenta tutta l'elettronica responsabile della misurazione e della dimostrazione del movimento rilevabile. Ad esempio, l'encoder triboelettrico autoalimentato, integrato in un sistema intelligente di puleggia, converte l'attrito in energia elettrica utile immagazzinando l'energia raccolta in un condensatore e alimentando completamente il circuito, compreso un microcontrollore e un LCD.

Sensori chimici attivi autoalimentati

Per quanto riguarda i nanogeneratori triboelettrici, la massimizzazione della generazione di carica sui lati opposti può essere ottenuta selezionando i materiali con la maggiore differenza nella capacità di attrarre elettroni e modificando la morfologia della superficie. In tal caso, l'uscita del TENG dipende dal tipo e dalla concentrazione di molecole adsorbite sulla superficie dei materiali triboelettrici, che possono essere utilizzati per fabbricare sensori chimici e biochimici. Ad esempio, le prestazioni del TENG dipendono dall'assemblaggio di nanoparticelle di Au (NP) sulla piastra metallica. Questi Au NP assemblati non solo agiscono come spazi fissi tra le due piastre in condizioni di assenza di deformazione, ma consentono anche la funzione di allargare l'area di contatto delle due piastre, che aumenterà l'uscita elettrica del TENG. Attraverso un'ulteriore modifica delle molecole di acido 3-mercaptopropionico (3-MPA) sulle NP di Au assemblate, il nanogeneratore ad alto rendimento può diventare un nanosensore altamente sensibile e selettivo verso il rilevamento di ioni Hg ^{2+ a} causa della diversa polarità triboelettrica di Au NP e Hg ²⁺ ioni. Con la sua elevata sensibilità, selettività e semplicità, il TENG ha un grande potenziale per la determinazione degli ioni Hg ²⁺ in campioni ambientali. Il TENG è un futuro sistema di rilevamento per ambienti estremi irraggiungibili e con accesso negato. Poiché diversi ioni, molecole e materiali hanno le loro polarità triboelettriche uniche, ci aspettiamo che il TENG possa diventare un sensore di accensione o spegnimento elettrico quando gli analiti si legano selettivamente alla superficie dell'elettrodo modificata. Riteniamo che questo lavoro servirà come trampolino di lancio per studi TENG correlati e ispirerà lo sviluppo di TENG verso altri ioni metallici e biomolecole come il DNA e le proteine ​​nel prossimo futuro.

Scelta dei materiali e delle strutture superficiali

Quasi tutti i materiali conosciuti esibiscono l'effetto di triboelettrificazione, dal metallo, al polimero, alla seta e al legno, quasi tutto. Tutti questi materiali possono essere candidati per la fabbricazione di TENG, in modo che le scelte di materiali per TENG siano enormi. Tuttavia, la capacità di un materiale di acquisire/perdere elettroni dipende dalla sua polarità. John Carl Wilcke pubblicò la prima serie triboelettrica nel 1757 sulle cariche statiche. Un materiale verso la parte inferiore della serie, quando viene toccato con un materiale vicino alla parte superiore della serie, otterrà una carica più negativa. Più sono lontani due materiali l'uno dall'altro sulla serie, maggiore è la carica trasferita. Oltre alla scelta dei materiali della serie triboelettrica, le morfologie delle superfici possono essere modificate con tecniche fisiche con la creazione di micro o nano pattern a base piramidale, quadrata o semisferica, efficaci per valorizzare l'area di contatto ed eventualmente la triboelettrificazione. Tuttavia, la struttura irregolare creata sulla superficie può aumentare la forza di attrito, il che può ridurre l'efficienza di conversione dell'energia del TENG. Pertanto, è necessario progettare un'ottimizzazione per massimizzare l'efficienza di conversione.

Le superfici dei materiali possono essere funzionalizzate chimicamente utilizzando varie molecole, nanotubi, nanofili o nanoparticelle, al fine di potenziare l'effetto di triboelettrificazione. La funzionalizzazione della superficie può modificare ampiamente il potenziale della superficie. L'introduzione di nanostrutture sulle superfici può modificare le caratteristiche di contatto locali, che possono migliorare la triboelettrificazione. Ciò comporterà un gran numero di studi per testare una gamma di materiali e una gamma di nanostrutture disponibili.

Oltre a questi materiali puri, i materiali di contatto possono essere costituiti da compositi, ad esempio incorporando nanoparticelle nella matrice polimerica. Questo non solo cambia l'elettrificazione superficiale, ma anche la permittività dei materiali in modo che possano essere efficaci per l'induzione elettrostatica. Esistono quindi numerosi modi per migliorare le prestazioni del TENG dal punto di vista dei materiali. Ciò offre un'eccellente opportunità per i chimici e gli scienziati dei materiali di fare studi approfonditi sia nella scienza di base che nell'applicazione pratica. Al contrario, i sistemi di materiali per celle solari e termoelettriche, ad esempio, sono piuttosto limitati e non ci sono molte scelte per dispositivi ad alte prestazioni.

Standard e cifre di merito

È stata sviluppata una figura di merito prestazionale (FOM _P ) per valutare quantitativamente le prestazioni dei nanogeneratori triboelettrici, costituita da una figura di merito strutturale (FOM _S ) relativa alla struttura di TENG e una figura di merito materiale (FOM _M ) che è il quadrato della densità di carica superficiale. Considerando l'effetto di ripartizione, si propone anche una figura di merito rivista. Sulla base della FOM, è possibile confrontare e valutare i risultati di diversi TENG.

Cicli per la produzione di energia di TENG

Per un movimento meccanico periodico continuo (da spostamento x=0 a x=x _max ), anche il segnale elettrico in uscita dal TENG è periodicamente dipendente dal tempo. In tal caso, la potenza di uscita media P, che è correlata alla resistenza di carico, viene utilizzata per determinare i meriti del TENG. Dato un certo periodo di tempo T, l'energia di uscita per ciclo E può essere derivata come:

Ciò indica che l'energia di uscita per ciclo E può essere calcolata come l'area racchiusa dell'anello chiuso nella curva V-Q e tutti i cicli VQ sono denominati "cicli per la produzione di energia" (CEO).

Cicli per la massima produzione di energia di TENG.

Attraverso la trasformazione periodica tra condizioni di carico e di cortocircuito, si possono ottenere cicli per la massima produzione di energia. Quando il carico è infinito, il VQ diventa una forma trapezoidale, i cui vertici sono determinati dalla carica massima trasferita di cortocircuito Q _SC,max , e l'energia massima in uscita può essere calcolata come:

Figure di merito (FOM) di TENG.

Per il TENG operante in CMEO con resistenza di carico infinita, il periodo T comprende due parti di tempo. Una parte proviene dal moto relativo in TENG e l'altra parte proviene dal processo di scarica in condizione di cortocircuito. L'effetto di rottura è ampiamente presente nei nanogeneratori triboelettrici, che influirà gravemente sull'effettiva produzione di energia massimizzata, E _em . Pertanto, la potenza di uscita media P al CMEO considerando l'effetto di rottura dovrebbe soddisfare:

Dove v è il valore medio della velocità del moto relativo in TENG, che dipende dai movimenti meccanici in ingresso. In questa equazione, è l'unico termine che dipende dalle caratteristiche del TENG stesso. L'efficienza di conversione energetica del TENG può essere espressa come (a CMEO con R=∞ considerando gli effetti di rottura): ${\displaystyle {\frac {E_{\text{em}}}{x_{\text{max}}}}}$ Qui F sta per la forza dissipativa media durante il funzionamento del TENG. Questa forza può essere forza di attrito, forza di resistenza dell'aria o altro. sta per la forza dissipativa media durante il funzionamento del TENG. Questa forza può essere forza di attrito, forza di resistenza dell'aria o altro. Pertanto, si può concludere che il termine determina sia la potenza media che l'efficienza di conversione energetica dalle caratteristiche del TENG stesso. E _em contiene Q _SC,max che è proporzionale all'area di triboelettrificazione A. Pertanto, per escludere l'effetto della taglia TENG sull'energia in uscita, l'area A va posta a denominatore di questo termine e quindi il termine determina i meriti di TENG. Q _SC,max , V _OC,max e V _max ' sono tutti proporzionali alla densità di carica superficiale . Pertanto, E _em è proporzionale al quadrato della densità di carica superficiale . Quindi, può essere definita una FOM strutturale adimensionale (FOM _S ) di TENG, poiché il fattore dipende solo dai parametri strutturali e x _max : ${\displaystyle {\frac {E_{\text{em}}}{x_{\text{max}}}}}$${\displaystyle {\frac {E_{\text{em}}}{Ax_{\text{max}}}}}$

$${\displaystyle FOM_{\text{S}}=2\epsilon _{0}/\sigma ^{2}{\frac {E_{\text{em}}}{Ax_{\text{max}}}} }$$

Qui ε ₀ è la permittività del vuoto. Questa FOM strutturale rappresenta il merito del TENG dal disegno strutturale. E quindi la performance FOM (FOM _P ) di TENG può essere definita come:

$${\displaystyle FOM_{\text{P}}=2\epsilon _{0}{\frac {E_{\text{em}}}{Ax_{\text{max}}}}}$$

Qui,

$${\displaystyle FOM_{\text{M}}=\sigma ^{2}}$$

che è l'unico componente correlato alle proprietà del materiale. Il FOM _P può essere considerato come lo standard universale per valutare le varietà di TENG, poiché è direttamente proporzionale alla massima potenza di uscita media possibile e correlato alla massima efficienza di conversione energetica ottenibile, indipendentemente dalla modalità e dalla dimensione del TENG.

Metodo standardizzato per la valutazione della capacità di output

Considerando l'effetto di rottura, viene proposto un metodo standardizzato per la valutazione della capacità di uscita dei nanogeneratori, che può misurare sperimentalmente il limite di rottura e l' _Em dei nanogeneratori. Studi precedenti sul modello teorico implicano che il TENG possa essere considerato come una sorgente di tensione combinata con un condensatore in serie, la cui capacità varia durante il funzionamento. Sulla base della proprietà capacitiva, il metodo di valutazione viene sviluppato caricando il TENG target (TENG1) a diverso spostamento x per misurare la condizione di rottura. Un altro TENG (TENG2) viene aggiunto come sorgente di alta tensione per attivare il TENG target per avvicinarsi alla condizione di guasto. L'interruttore 1 (S1) e l'interruttore 2 (S2) vengono utilizzati per abilitare diverse fasi di misurazione. Flusso di processo dettagliato di questo metodo, inclusa una parte di esperimento e una parte di analisi dei dati. Prima di tutto, è fondamentale mantenere la densità di carica superficiale identica a quella riflessa da Q _SC,max , per garantire la coerenza della misurazione a x differenti. Così nella Fase 1, S1 è stato acceso e S2 spento per misurare Q _SC,max ; se Q _SC,max è inferiore al valore previsto, viene condotto un ulteriore processo di triboelettrificazione per avvicinarsi a tale valore. E poi nel passaggio 2, x è stato impostato su un certo valore e il trasferimento di carica di cortocircuito Q _SC (x) a un certo x è stato misurato dal coulometro Q1. Nel passaggio 3, S1 è stato disattivato, S2 è stato attivato e quindi TENG2 è stato attivato per fornire un'uscita ad alta tensione per TENG1. La carica che fluisce in TENG1 e la tensione ai capi di TENG1 sono state misurate contemporaneamente, in cui la carica è stata misurata dal coulometro Q2, e la tensione è stata ottenuta moltiplicando la resistenza R per la corrente che la attraversa misurata dal correntemetro I, come dettagliato in Metodi. I punti di svolta ottenuti in questo (Q, V) sono stati considerati come punti di rottura. E poi, se x<xmax, il processo è stato ripetuto partendo dal passaggio 1 con un x aumentato, fino a raggiungere x _max per terminare la parte di misura sperimentale. Per la parte di analisi dei dati, in primo luogo, C(x) è stato calcolato dalla pendenza della parte lineare nella misura (Q, V), considerandola come parte non scomposta. E poi, il primo punto di svolta (Q _b (x), V _b (x)) è stato determinato al valore della variante R2 adattando linearmente C (x), che è stato considerato come il punto di rottura della soglia. Infine, per ogni x∈[0, x _max ], tutti i (Q _b (x), V _b (x)) possono essere trasferiti in (Q _SC (x)- Q _b (x), V _b (x) ) come i punti di rottura tracciati nel ciclo VQ per calcolare E _em di TENG.

Circuito di misurazione del guasto

Processo di misurazione del guasto

Nanogeneratore piroelettrico

Un nanogeneratore piroelettrico è un dispositivo di raccolta dell'energia che converte l'energia termica esterna in energia elettrica utilizzando materiali piroelettrici nanostrutturati. Di solito, la raccolta di energia termoelettrica si basa principalmente sull'effetto Seebeck che utilizza una differenza di temperatura tra due estremità del dispositivo per guidare la diffusione dei portatori di carica. Tuttavia, in un ambiente in cui la temperatura è spazialmente uniforme senza un gradiente, come all'aperto, l'effetto Seebeck non può essere utilizzato per raccogliere energia termica da una fluttuazione della temperatura dipendente dal tempo. In questo caso, la scelta deve essere l'effetto piroelettrico, che riguarda la polarizzazione spontanea in certi solidi anisotropi a causa della fluttuazione della temperatura. Il primo nanogeneratore piroelettrico è stato introdotto dal Prof. Zhong Lin Wang al Georgia Institute of Technology nel 2012. Raccogliendo l'energia termica di scarto, questo nuovo tipo di nanogeneratore ha potenziali applicazioni come sensori wireless, imaging della temperatura, diagnostica medica ed elettronica personale .

Meccanismo

Il meccanismo del nanogeneratore piroelettrico basato su una struttura composita di nanofili piroelettrici.(ac) Diagrammi schematici del nanogeneratore piroelettrico con dipoli elettrici negativi in ​​condizioni di temperatura ambiente (a), riscaldata (b) e raffreddata (c). Gli angoli contrassegnati nei diagrammi rappresentano i gradi ai quali il dipolo oscillerebbe in base alle fluttuazioni termiche statistiche.

Il principio di funzionamento del nanogeneratore piroelettrico verrà spiegato per 2 casi diversi: l'effetto piroelettrico primario e l'effetto piroelettrico secondario.

Il principio di funzionamento del primo caso è spiegato dall'effetto piroelettrico primario, che descrive la carica prodotta in un caso privo di deformazioni. L'effetto piroelettrico primario domina la risposta piroelettrica in PZT, BTO e alcuni altri materiali ferroelettrici. Il meccanismo si basa sull'oscillazione casuale indotta termicamente del dipolo elettrico attorno al suo asse di equilibrio, la cui grandezza aumenta con l'aumentare della temperatura. A causa delle fluttuazioni termiche a temperatura ambiente, i dipoli elettrici oscilleranno casualmente entro un grado dai rispettivi assi di allineamento. A una temperatura fissa, la forza media totale della polarizzazione spontanea forma i dipoli elettrici è costante, con conseguente nessun output del nanogeneratore piroelettrico. Se applichiamo una variazione di temperatura nel nanogeneratore dalla temperatura ambiente a una temperatura più alta, l'aumento della temperatura farà sì che i dipoli elettrici oscillino con un grado di diffusione maggiore attorno ai rispettivi assi di allineamento. La polarizzazione spontanea media totale è diminuita a causa della diffusione degli angoli di oscillazione. La quantità di cariche indotte negli elettrodi viene così ridotta, determinando un flusso di elettroni. Se il nanogeneratore viene raffreddato anziché riscaldato, la polarizzazione spontanea sarà migliorata poiché i dipoli elettrici oscillano entro un grado minore di angoli di diffusione a causa della minore attività termica. La grandezza totale della polarizzazione è aumentata e la quantità di cariche indotte negli elettrodi è aumentata. Gli elettroni fluiranno quindi in una direzione opposta.

Per il secondo caso, la risposta piroelettrica ottenuta è spiegata dall'effetto piroelettrico secondario, che descrive la carica prodotta dalla deformazione indotta dall'espansione termica. L'effetto piroelettrico secondario domina la risposta piroelettrica in ZnO, CdS e alcuni altri materiali di tipo wurzite. La deformazione termica può indurre una differenza di potenziale piezoelettrico attraverso il materiale, che può guidare gli elettroni a fluire nel circuito esterno. L'uscita del nanogeneratore è associata al coefficiente piezoelettrico e alla deformazione termica dei materiali. La corrente di uscita I dei nanogeneratori piroelettrici può essere determinata dall'equazione di I=pA(dT/dt), dove p è il coefficiente piroelettrico, A è l'area effettiva del NG, dT/dt è la velocità di variazione della temperatura .

Applicazioni

Il nanogeneratore piroelettrico dovrebbe essere applicato per varie applicazioni in cui esiste la fluttuazione della temperatura dipendente dal tempo. Una delle applicazioni fattibili del nanogeneratore piroelettrico è quella di un sensore attivo, che può funzionare senza batteria. Un esempio è stato introdotto dal gruppo del professor Zhong Lin Wang nel 2012 utilizzando un nanogeneratore piroelettrico come sensore di temperatura autoalimentato per rilevare un cambiamento di temperatura, dove il tempo di risposta e il tempo di ripristino del sensore sono rispettivamente di circa 0,9 e 3 s. . In generale, il nanogeneratore piroelettrico fornisce un'elevata tensione di uscita, ma la corrente di uscita è piccola. Non solo può essere utilizzato come potenziale fonte di alimentazione, ma anche come sensore attivo per misurare la variazione di temperatura.

Guarda anche

• Batteria (elettricità)
• Generatore elettrico
• Sistemi Microelettromeccanici
• Micropotenza
• Sistemi nanoelettromeccanici
• Smartdust
• Sistemi indossabili intelligenti

Riferimenti

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link esterno

• Nano Research Group del professor ZL Wang al Georgia Institute of Technology
• Laboratorio di nanoscienza e ingegneria elettronica (NESEL) presso la Sungkyunkwan University (SKKU)
• Laboratorio di meccanica e fisica su nanoscala presso l'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign
• LINLAB presso l'Università della California, Berkeley
• Samsung Advanced Institute of Technology