+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

путь к автономности электронных устройств / Блог компании ITSOFT / Хабр

Что это такое?

При запросе «наногенератор купить» гугл выдаёт интернет-магазин принадлежностей для аквариумов. «наногенератор», который они продают — это обычный генератор волн. Видимо, для привлечения клиентов, маркетологи выбрали приставку «нано», которая сегодня стала синонимом технического прогресса. В наногенераторах, речь о которых пойдет в этой статье, приставка «нано» отражает размеры рабочего тела, за счет которого вырабатывается электричество.

Наногенератор — это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде(например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.

Пьезоэлектрический наногенератор

Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект — это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки — проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой — положительный.

Схема работы пьезоэлектрического наногенератора на примере одной нанопроволоки

Материал

Размеры

Выходное напряжение

Выходная мощность

Изготовление

ZnO (оксид цинка)

D: ~100 нм, L: 200~500 нм

VP=~9 мВ

~0.5 пВт

CVD

GaN

D: 25~70 нм, L: 10~20 мкм

Vavg=~20 мВ

~ 0,8 пВт

CVD

PVDF

D: 0.5~6.5 мкм, L: 0.2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.

Пироэлектрический наногенератор

В таких наногенераторах используется два физических явления — это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры(свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека — это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье

Про пьезоэлектрический эффект при нагреве

Как мы знаем, при изменении температуры тела деформируются. В том числе и рабочее тело пироэлектрического наногенератора. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот.

Янтарь — классический пример пироэлектрика

Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов — узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.

Схема работы пироэлектрика: Ag — серебро, ITO — Оксид индия-олова. Углы на схеме обозначают градусы, в рамках которых будет колебаться диполь под действием температуры.

В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.

Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG

Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект — это явление возникновения электрического заряда в результате трения.3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.

Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:

Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях(нажатие или тряска) загораются:

Выглядит крипово…

Эпилог

Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных(ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов за счет сбора отработанной энергии(тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.


Дата-центр ITSOFT — услуги размещения и аренды серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.

Наногенераторы. Виды и устройство. Работа и применение

Наногенераторы – уникальные устройства, которые способны вырабатывать электрическую энергию из любых видов микроколебаний. Необходимо лишь сжать в пальцах наногенератор, чтобы начал вырабатываться электрический ток. Разработка и внедрение наногенераторов открывает широкие перспективы. Совсем скоро можно будет полностью отказаться от аккумуляторов. Для зарядки IPod или мобильного телефона будет достаточно провести по экрану пальцем или вытянуть руку. Эти технологии пока что не совершенны, нет серийных изделий, однако разработки идут полным ходом.

Устройство

Над устройствами наногенераторов параллельно работают разные ученые. В лаборатории технологического института Джорджии созданы два типа наногенератора, которые инкапсулированы в полимерную пленку. Оба генератора представляют тонкий лист пластика, который имеет размеры листа бумаги для записей.

Подобные наногенераторы включают:

  • Кремниевая подложка.
  • Выходные электроды.
  • Нанопровода из оксида цинка.
  • Платиновые электроды.
  • Полимерный наполнитель.

Работа данных наногенераторов базируется на пьезоэлектрическом эффекте. Толщина нанопроводов, применяемых в устройстве, составляет всего несколько сотен нанометров. Их делают только химическим способом. С целью повышения срока работы наногенератора применяется пластик, который заполняет пространство между нанопроволоками. Небольшое допустимое сжатие наногенератора обеспечивает генерацию напряжения порядка 0,24 В.

Более мощный генератор этого же института создан по схожему принципу, однако включает существенно большее количество нанопроводов.

Устройство наногенератора включает следующие элементы:

  • Металлизированная подложка.
  • Полимерный корпус.
  • Нанопровода из оксида цинка.
  • Выходные электроды.

Выходное напряжение подобного генератора прямо пропорционально сумме величин механической деформации, которой нанопровода подвергаются.

Принцип действия

Современные генераторы способны превращать любые движения в источник энергии. Это могут быть различные колебания жидкости, перемещения или биологическая вибрация. Ученые-исследователи даже смогли объединить солнечную батарею и наногенератор, создав аппарат, который может воспользоваться солнечной и механической энергией.

Основой революционного изобретения стал многослойный силиконовый материал, который представляет тонкие листы, выполненные из экологически чистых веществ, в том числе полипропиленовый ферроэлектрет, полиимид и серебро. К ним добавляются ионы так, чтобы каждый слой устройства имел заряженные частицы. Электричество появляется в момент, когда устройство подвергается определенному сжатию вследствие движений человека, то есть обеспечивается механической энергией.

Это устройство называют биосовместимый ферроэлектретный наногенератор. Его толщина равна толщине листа бумаги, он может иметь различные формы и размеры. Устройство может быть большим, однако если сложить его несколько раз, то можно получить больше энергии и меньший размер. В результате можно сделать достаточно компактное устройство, к примеру, для размещения его в специальном каблуке обычной обуви. Электричество будет генерироваться каждый раз, когда обувь будет касаться земли.

За счет накапливания заряда энергии от нанопроводников, сделанных из оксида цинка, генераторы вполне могут питать небольшие электрические приборы. Сечение проводников таково, что в разрезе человеческого волоса их можно собрать до 500 штук. Маленькие размеры указанных проводов дают возможность применит

Предложены наногенераторы для сбора энергии почти при любом движении

Исследователи из Китайского университета Гонконга (CUHK) предложили интересную модульную конструкцию небольших по размеру генераторов электрической энергии. Разработка позволяет вырабатывать электричество из многих видов движения в природе, на транспорте или при движении самого человека, а в сборе энергии волн новая технология способна совершить переворот.

Источник изображения: Chinese University of Hong Kong

Предложенные учёными из Китая наногенераторы опираются на сбор энергии в процессе трения — это так называемый трибоэлектрический эффект. До сих пор генераторы на этом эффекте представляли собой системы с трущимися внешними частями. Это позволяло вырабатывать достаточно большую мощность, но вело к износу поверхностей трения. Учёные из CUHK нашли этому интересную альтернативу.

Источник изображения: Chinese University of Hong Kong

Предложенный китайцами наногенератор WT-TENG (трибоэлектрический наногенератор на основе водяных трубок) представляет собой небольшой герметичный сосуд размером с указательный палец со встроенными электродами и наполовину заполненный деионизированной водой. У такой воды очень большое удельное сопротивление, поскольку она очищена от ионов примесей.

Источник изображения: Chinese University of Hong Kong

Поступательные, колебательные и вращательные движения заставляют воду перемещаться в сосуде между областями двух электродов и приобретать заряд (электризоваться) за счёт трения с материалом электродов. Электроды от этого тоже электризуются и приобретают противоположный заряд, что создаёт ток между электродами и это может продолжаться очень и очень долго.

Плоты из таких лёгких и плавающих на поверхности соединённых друг с другом генераторов могут заменить тяжёлые, громоздкие и требующие ремонта и обслуживания современные генераторы по сбору энергии волн.

Наногенераторы WT-TENG вырабатывают поток плотностью девять милликулон на м3 при частотах до 0,25 Гц. Это очень мало для одиночного источника энергии, но батарея из таких устройств может питать относительно требовательные устройства. Например, учёные показали, как несколько генераторов на запястье бегуна зажигали панель из 150 светодиодов или та же панель зажигалась при раскачивании контейнера с генераторами на морской волне. Для мира с возобновляемой энергетикой — это очень интересная и перспективная разработка.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Миниатюрный наногенератор

Роман Барский

10 октября 2020, 23:44

В последние годы идея использования окружающей энергии в форме света, вибрации, тепла, радиоволн и т. д. становится все более привлекательной.

Представьте, что вы на несколько секунд потираете воздушный шар о волосы. Что с ними происходит? Энергия, которая образовалась после такого взаимодействия, может быть «запакована» и сохранена для дальнейшего использования.

 

Недавно изобретенный трибоэлектрический наногенератор представляет собой многообещающий подход для сбора энергии окружающей среды и преобразования ее в электрическую энергию на основе трибоэлектричества.

«Наногенератор» в настоящее время может улавливать достаточно энергии от легких ветров, например, создаваемых при быстрой прогулке, для питания 100 светодиодных ламп и датчиков температуры.

Трибоэлектрический эффект – довольно интересное природное явление, заключающееся в том, что при трении двух материалов или веществ (например, с разной плотностью) между ними происходит разделение зарядов.

 

Энергия ветра — один из самых экономически эффективных и недорогих источников энергии, доступных сегодня. Ученые создали миниатюрный генератор, использующий энергию ветра. Станет ли он бесконечным источником энергии для мобильных телефонов и дополнит или заменит ветряные турбины – покажет время.

В отличие от турбин, в которых используются катушки и магниты, где затраты фиксированы, новая разработка позволяет подбирать недорогие и доступные материалы.

Исследователи разработали «крошечную ветряную турбину», которая улавливает энергию ветра. КПД составляет 3,23%.

 

 

Устройство состоит из двух пластиковых полос (трибоэлектрических пленок), которые размещены в трубке длиной 8 сантиметров, под действием воздушного потока полосы «схлопываются», создавая статическое электричество генерируют энергию. Процесс выработки электроэнергии реализуется последовательностью движения контакт-распространение-разделение, вызванное их колебаниемч. Фактическая, выходная мощность будет зависеть от площади контакта, а максимальная площадь контакта была рассчитана с использованием моделирования.

Эффект Бернулли применительно к сбору энергии ветра. (A) Система ветроуловителя и конструкция B-TENG. (B) Флаттерный режим трибоэлектрического наногенератора. (C) Моделирование противофазного режима взмахов двух взаимодействующих пленок. (D) Противофазное колебание структуры двух пленок взаимодействия с размерами 8 × 3 было зафиксировано высокоскоростной камерой при скорости ветра 8 м/с. Зеленые флуоресцентные лампы на картинке использовались для определения траектории двух хлопающих пленок.

Миниатюрный генератор может работать при слабом ветре до 1,6 м/с, но лучше всего оно работает при скорости ветра от 4 м/с до 8 м/с, что примерно соответствует скорости обычного байкера.

 

 

Как сообщают исследователи Cell Reports Physical Science, устройство может питать до 100 светодиодных ламп, а также датчики температуры.  По словам ученых, в ближайшее время избретение, хоть и не заменит обычные ветряные турбины, но может стать недорогим решением для питания небольшой электроники, такой как удаленные датчики и камеры безопасности.

Устройство состоит из двух пластиковых полос (трибоэлектрических пленок), которые размещены в трубке длиной 8 сантиметров, под действием воздушного потока полосы «схлопываются», создавая статическое электричество генерируют энергию. Процесс выработки электроэнергии реализуется последовательностью движения контакт-распространение-разделение, вызванное их колебаниемч. Фактическая, выходная мощность будет зависеть от площади контакта, а максимальная площадь контакта была рассчитана с использованием моделирования.

 «Наногенератор» в настоящее время может улавливать достаточно энергии от легких ветров, например, создаваемых при быстрой прогулке, для питания 100 светодиодных ламп и датчиков температуры.

 

 

Новое устройство считается наиболее эффективным из когда-либо созданных наногенераторов.

Ближайшая цель ученых — сделать его более эффективным, чтобы обеспечить бесперебойное и устойчивое энергоснабжение небольших мобильных устройств, разработав наногенератор размером с монету.

 

Вторая цель — дополнить ветряные турбины, позволяющие справляться с ветрами, которых они в настоящее время не могут достичь, т.е увеличить мощность устройства до 1000 Вт, чтобы оно могло конкурировать с традиционными ветряными турбинами и разместить эти устройства там, где традиционные ветряные турбины недоступны, например, в горах или на крыше зданий для обеспечения устойчивой энергетики.

«Наногенератор» в настоящее время может улавливать достаточно энергии от легких ветров, например, создаваемых при быстрой прогулке, для питания 100 светодиодных ламп и датчиков температуры.

В отличие от турбин, в которых используются катушки и магниты, где затраты фиксированы, новая разработка позволяет подбирать недорогие и доступные материалы.

 

Миниатюрный генератор также можно безопасно использовать в заповедниках или городах, потому что он не имеет вращающихся частей.

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Миниатюрный генератор для автономных устройств: пьезо-, пиро- и трибоэлектричество для повседневного использования

Наногенраторы начинают новую эру в жизни человечества и могут вырабатывать электроэнергию практически из любых видов микроколебаний. Достаточно несильно сжать наногенератор в пальцах и он начнет вырабатываться электрический ток. Еще в 2011 году был разработан простой наногенератор, преобразующий в электрическую энергию колебание в человеческом теле. Что-то аналогичное создавали и раньше, но модель оказалась более мощной, чем конкуренты в 1.000 раз. Учёными было принято решение представить генератор на рынке. В том же году, пятью наногенераторами, имеющими размер четверть почтовой этикетки стал вырабатываться ток в один микроампер, имеющий напряжение 3 в, что равно напряжению создаваемому двумя батарейками АА. Новым генератором стали подпитывать жидкокристаллические экраны калькуляторов, и даже осуществлять передачу беспроводных сигналов. Утверждается, что новому устройству довольно малейших вибраций, чтобы вырабатывать электроток, позволяющий поддерживать работоспособность мобильных устройств. Заряжаться мобильный телефон будет от человеческой ходьбы, от биения сердца и от слабого ветерка. Зарядка может производится от шума проезжающего автомобиля, и даже от громких разговоров.

Воспользуйтесь нашими услугами

Современные наногенераторы превращают любые движения (различные перемещения, колебания жидкости и биологическую вибрацию) в источник энергии. Ученые-исследователи сумели объединить наногенератор и солнечную батарею (ячейку), создав тем самым аппарат способный воспользоваться механической и солнечной энергией. Такой генератор-гибрид является первым в своей области.

Наногенераторы, как правило, используют пьезоэлектрический нанопровод. Этой похожей на волосы структурой, состоящей из оксидов цинка, генерируется электрические потенциалы, при механических воздействиях на нее, и создается небольшая энергия. Первым такой прибор изготовили под руководством профессора Zhong Li Wangа.

Если сравнивать с солнечной батареей, то наногенератор еще проигрывает и недостаточно эффективен, но солнечную энергию не всегда можно выработать.

Это и послужило поводом к появлению наногенератора-гибрида. У нового генератора имеется несколько слоев. В верхнем слое имеется место для тонкой солнечной батареи, затем место для кремниевого основания, а в нижнем слое – место для наногенератора. Особые полимеры скрепляют и покрывают все это. Основание из кремния для солнечной батареи и наногенератора является анодом батареи и катодом генератора.

Можно создать наногенератор и солнечную батарею больших размеров и применять их по отдельности, но генератор-гибрид более эффективен и занимает меньшую площадь. Опытные устройства сегодня могут производить 0,6в от энергии солнца и 10мв от пьезоэлектрического элемента. Ожидается увеличение мощности и эффективности этих генераторов-гибридов. Ученые всего мира считает что будущее энергетики за наногенераторами.

При запросе «наногенератор купить» гугл выдаёт интернет-магазин принадлежностей для аквариумов. «наногенератор», который они продают  — это обычный генератор волн. Видимо, для привлечения клиентов, маркетологи выбрали приставку «нано», которая сегодня стала синонимом технического прогресса. В наногенераторах, речь о которых пойдет в этой статье, приставка «нано» отражает размеры рабочего тела, за счет которого вырабатывается электричество. Наногенератор — это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде(например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.

Пьезоэлектрический наногенератор

Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект — это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки – проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой – положительный.

Схема работы пьезоэлектрического наногенератора на примере одной нанопроволоки

Материал Размеры Выходное напряжение Выходная мощность Изготовление
ZnO (оксид цинка) D: ~100 нм, L: 200~500 нм VP=~9 мВ ~0.5 пВт CVD
GaN D: 25~70 нм, L: 10~20 мкм Vavg=~20 мВ ~ 0,8 пВт CVD
PVDF D: 0.2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.

Пироэлектрический наногенератор

В таких наногенераторах используется два физических явления — это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры(свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека – это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье

Про пьезоэлектрический эффект при нагреве

Янтарь — классический пример пироэлектрика

Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов — узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.

Схема работы пироэлектрика: Ag — серебро, ITO – Оксид индия-олова. Углы на схеме обозначают градусы, в рамках которых будет колебаться диполь под действием температуры.

В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.

Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG

Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект — это явление возникновения электрического заряда в результате трения. Основной недостаток таких генераторов – это необходимость держать поверхности в контакте, что является сложной задачей.3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.

Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:

Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях(нажатие или тряска) загораются:

Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных(ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов  за счет сбора отработанной энергии(тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.

Источники: https://habr.com/, http://electrik.info/

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Наноэлектронные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую

Небольшие электронные устройства — мобильные плееры или даже кардиостимуляторы — можно питать с помощью наногенераторов, преобразующих механическую энергию в электричество. Ученые из Технического университета штата Джорджия обещают довести идею до практического применения в ближайшие пять лет.

Ученые Технологического университета штата Джорджия создали элементы питания для обычной электроники с помощью наноразмерных генераторов, которые преобразуют механическую энергию извне с помощью набора нанопроводков.

В данном случае механическая энергия – это сжатие наногенератора двумя пальцами. Но ее можно получать и из биения сердца, и из ударов подошв обуви по земле, и из вибрации технического оборудования.

Такие генераторы, конечно, никогда не смогут производить большие объемы электричества в промышленных целях, однако они вполне могут питать небольшие устройства, например, батареи iPod. Работа, посвященная последним усовершенствованиям наногенераторов, опубликована в журнале Nano Letters.

Работа наногенераторов Ванга основана на пьезоэлектрическом эффекте, наблюдаемом в кристаллических материалах (например, оксиде цинка). Электростатический потенциал возникает, когда предмет, сделанный из такого материала, сжимают или растягивают.

«Собирая» электричество с миллионов наноразмерных проводков оксида цинка, ученым удалось получить ток напряжением до 3 В и силой до 300 нА.

close

100%

«Мы максимально упростили конструкцию, сделали ее более функциональной и добились совместной работы большого количества проводков. Так получился наногенератор, достаточно мощный, чтоб питать обычные малые устройства – ЖК-дисплеи, светоиспускающие диоды и лазерные диоды», — пояснил профессор Чжун Линь Ван, слова которого приводит пресс-служба университета.

Сфера будущего внедрения наногенераторов – небольшие электронные устройства, применяемые в здравоохранении, мониторинге условий окружающей среды, а также обычная мелкая электроника.

Первые наногенераторы из оксида цинка использовали проводки, выращенные на твердой подложке и присоединенные к металлическому электроду. Новые наногенераторы способны производить электрический ток при простом растяжении – в этом случае оба конца нанопровода погружены в полимерный материал. Ключевая стадия процесса производства генераторов – аккуратный рост нанопроводов. Однако группа Вана придумала более простой способ производства. Нанопровода нового типа имеют коническую форму. После доведения роста до нужной величины проводки помещали в спиртовой раствор. Раствор с нанопроводками затем капали на тонкий металлический электрод и лист растяжимой полимерной пленки. Спирт высыхал, и на полученный слой помещали новый. Так получались чередующиеся слои полимера и нанопроводов, составляющие единый композиционный материал. Именно он, считает Ван, станет прототипом будущих устройств на наногенераторах.

При растяжении полимера проводки, размещенные слоями, производят электрический ток, достаточный для питания небольшого дисплея, например, экрана карманного калькулятора.

26 сентября 14:30

Профессор Ван считает, что после небольшого усовершенствования наногенераторы можно будет использовать в малоразмерных мобильных устройствах. Он предлагает питать ими датчики состояния атмосферы, замеряющие количество токсичных газов, в частности, для изучения изменения климата. Систему следует снабдить конденсатором, который мог бы запасать небольшое количество электроэнергии, достаточное для того, чтобы переслать массив данных в случае угрозы отключения устройства.

Хотя сейчас энергии, полученной от самых лучших наногенераторов, недостаточно даже для питания батареи iPod, Ван уверен, что у этой технологи большое будущее, а работающие от наногенераторов кардиостимуляторы появятся в ближайшие пять лет.

Наногенераторы, которые разработаны в его группе сейчас, в 100 раз эффективнее, чем аналогичные устройства, которые удалось создать год назад.

Другое направление усовершенствования технологии – создание пьезоэлектроники на основе смешанного цирконата-титаната свинца. Этот материал уже используется в промышленности, однако нанопровода из него растить не так просто, это требует нагрева до 650 градусов Цельсия, сообщается в статье журнала Nature Communications. Ванг и его коллеги добились возможности получать такие нанопровода при температуре всего 230 градусов Цельсия.

«Мы начали проводить первые работы в этой области в 2005 году. То, с чего мы начинали пять лет назад, и то, что мы имеем сейчас, — это небо и земля. Свойства наших наногенераторов принципиально улучшились. Сейчас мы уже работаем на тех уровнях энергии, которые нужны для промышленного применения. Я думаю, что мы перейдем к прямым применениям наших технологий в ближайшие пять лет», — подытожил Ван.

Высоковольтный наногенератор на основе электризаци…

Vol. 56 (2020), Issue 5, p. 101-108

https://doi.org/10.5281/zenodo.4045941

Кожевников И.В., Болога М.К., Гросу Ф.П., Черника И.М., Поликарпов А.А.


Abstract

УДК 532.54:541.13

 

Описаны и анализируются механизмы электризации различных твердых веществ при их контакте или трении, взаимодействии жидких сред с проводящими и диэлектрическими материалами. Рассмотрены наногенераторы и их выходные характеристики, разработанные на основе использования явления электризации твердых тел и жидкостей. Приводятся конструкция и результаты исследования электростатического наногенератора, основанного на электризации стеклянной пористой структуры при прохождении через нее диэлектрической жидкости.

 

Ключевые слова: электризация, пористая структура, фильтр Шотта, наногенератор, полиэтилсилоксановая жидкость, поток, напряжение, плотность, ток, потенциал, время, генератор, электропроводность

 

 

The mechanisms of electrification of various solids in contact or friction as well as in the interaction of liquid media with conductive and dielectric materials are described and analyzed. Output characteristics of nanogenerators based on the phenomenon of electrification of solids and liquids are considered. The design and results of the study of an electrostatic nanogenerator based on the electrification of a glass porous structure when a dielectric fluid passes through it are presented.

 

Keywords: electrification, porous structure, Schott filter, nanogenerator, polyethylsiloxane liquid, flow, voltage, density, current, potential, time, generator, electrical conductivity

 


 

 
 

Download full-text PDF. 264 downloads

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Бионический растягиваемый наногенератор для подводного зондирования и сбора энергии

Механизм бионического растягиваемого наногенератора

Электрические угри могут генерировать высокое напряжение до 600 В путем последовательной укладки тысяч электроцитов (рис. 1a) 33,34 . В неактивном состоянии по сравнению с внешней клеточной мембраной покоящиеся электроциты содержат более высокую концентрацию ионов калия (K + ) и более низкую концентрацию ионов натрия (Na + ).В активном состоянии структура ионных каналов на клеточных мембранах запускается нейротрансмиттером, который позволяет ионам проходить через клеточные мембраны под действием поляризованного градиента концентрации Na + и K + (рис. 1b). Трансмембранный потенциал отдельного электроцита может быть повышен до ~ 150 мВ 34,35 . Следовательно, большое количество уложенных друг на друга электроцитов может генерировать электричество с очень высоким напряжением (рис. 1c).

Рис. 1

Бионический принцип и структура бионического растягиваемого наногенератора. a Принципиальная схема электрического угря и электроцитов. b Принципиальная схема ионных каналов на цитомембране. c Сигнал потенциала действия электроцита. DP, RP и HP представляют собой деполяризацию, реполяризацию и гиперполяризацию соответственно. d Принципиальная схема бионического растягиваемого наногенератора (BSNG) с двухслойной структурой, который в основном состоит из силикона, полидиметилсилоксана (PDMS), жидкости для электрификации и электрода из ионного раствора. e Принципиальная схема бионических каналов в BSNG. f Выходной сигнал BSNG за один рабочий цикл

BSNG основан на принципе выработки электроэнергии электрическим угрем. BSNG состоит из двух слоев (рис. 1d). Первый слой — это слой электрификации, который содержит серию управляемых каналов на основе двухслойной структуры PDMS-силикон и жидкостную камеру, заполненную электрификационной жидкостью (рис. 1e). Электрификационная жидкость, используемая в BSNG, представляет собой деионизированную (DI) воду, обладающую такими преимуществами, как высокая диэлектрическая проницаемость, хорошая биобезопасность, низкая стоимость и простота приготовления.При совмещении слой за слоем после отверждения PDMS и силикон образуют сильную связывающую силу в стыке, что приводит к изгибу композита по направлению к слою PDMS (дополнительный рисунок 1, дополнительное примечание 1). Граница двух материалов хорошо слита. Сходные результаты инфракрасного спектра показывают, что PDMS, силикон и композит имеют очень похожие молекулярные группы (дополнительный рисунок 2). Слой PDMS разделен на несколько секций, поэтому секции PDMS будут отделены друг от друга после растяжения.Затем разделенные секции PDMS будут втягиваться для упругости силикона при высвобождении (дополнительный рисунок 1). Следовательно, можно управлять несколькими каналами с помощью натяжения для одновременного открытия или закрытия (дополнительный рисунок 3, дополнительное примечание 2). Чтобы сделать каналы более гидрофобными для протекания жидкости, некоторые микроструктуры в виде бамбуковых швов на дне каналов и резервуара построены путем переворота 3D-печатной формы (дополнительные рисунки 3, 4, дополнительное примечание 3). Второй слой представляет собой индукционный слой, который содержит два электрода ионного раствора под каналами и камерой первого слоя.Ионный раствор, используемый в BSNG, представляет собой раствор хлорида натрия (NaCl). Общие размеры БСНГ составляют 10 см × 6 см × 8 мм. Подробный размер каждой части структуры BSNG можно найти на дополнительном рисунке 5 и дополнительном примечании 4.

Каналы BSNG имитируют ионные каналы, встроенные в клеточную мембрану электроцитов, которые состоят из специальных белков. Активность ионных каналов регулирует вход и выход ионов, открывая и закрывая ионные каналы, что жизненно важно для реализации различных функций клеток.Каналы Na + и K + электроцитов электрического угря управляются напряжением и нейротрансмиттером, которые играют решающую роль в выработке электроэнергии. Более подробная информация о переносе Na + и K + представлена ​​в дополнительных материалах (дополнительный рисунок 6, дополнительное примечание 5). BSNG в основном использует трибоэлектрофикацию, вызванную течением жидкости, и принцип электростатической индукции для выработки электричества, что отличается от ранее опубликованных работ о градиентах концентрации ионов, задействованных генератором 30,31,32 .За один рабочий цикл БСНГ может производить под водой напряжение холостого хода до 10 В (рис. 1е).

Для достижения искусственного контроля над течением жидкости для электрификации мы предлагаем механочувствительный канал, вдохновленный механически закрытым каналом в клеточной мембране электрического угря. Несколько каналов в BSNG могут открываться и закрываться одновременно с помощью простой механической силы. При приложении растягивающего усилия механочувствительные каналы в слое электризации BSNG открываются, и жидкость в резервуаре самопроизвольно перетекает в камеры из-за отрицательного давления в камерах.Когда растягивающее напряжение снимается, разделенные камеры будут полностью закрыты для упругой упругости силикона, в результате чего жидкость в камерах стекает обратно в резервуар (рис. 2a, b). Красные чернила вводятся в резервуар для жидкости, чтобы увидеть четкий процесс протекания жидкости.

Рис. 2

Принцип работы и растяжимость бионического растягиваемого наногенератора. a Фотографии одного рабочего цикла бионического растягиваемого наногенератора (BSNG) (заполнены красными чернилами). б Принципиальная схема рабочего процесса БСНГ. c Принципиальная схема рабочего механизма БСНГ. d Результат моделирования BSNG при 50% деформации. e BSNG (обозначено красной рамкой) в исходном состоянии (деформация 0%) и в растянутом состоянии (деформация 60%). f Испытание на одноосное растяжение силикона, полидиметилсилоксана (PDMS), силикон-PDMS и BSNG

Принцип работы BSNG основан на сочетании контактной электризации и электростатической индукции.Механизм проводимости для переноса электроэнергии приписывается току смещения Максвелла 36 , который можно определить как:

$$ J_D = \ frac {{\ partial D}} {{\ partial t}} = \ varepsilon _0 \ frac {{\ partial E}} {{\ partial t}} + \ frac {{\ partial P}} {{\ partial t}}, $$

(1)

, где J D — плотность свободного электрического тока; D — поле смещения; ε 0 — диэлектрическая проницаемость в вакууме; E — электрическое поле, а P — поляризационное поле.Один рабочий цикл BSNG показан на рис. 2c. В исходном состоянии механочувствительные каналы в верхнем слое (слое электрификации) закрыты. Электрификационная жидкость может существовать только в фиксированном резервуаре, что не приводит к изменению потенциала внутри BSNG. Когда BSNG стимулируется механической тягой, каналы открываются во множество камер. Электрификационная жидкость поступает в камеры из-за разрежения в вакуумных камерах, вызывая трибоэлектризацию текущей жидкости.Когда жидкость контактирует с силиконовой подложкой камер, отрицательные ионы избирательно абсорбируются на поверхности силиконовой подложки, что приводит к накоплению отрицательных трибоэлектрических зарядов. Жидкость в BSNG заряжена положительно, а силикон рядом с жидкостью заряжен отрицательно из-за трибоэлектрификации через повторяющийся контакт жидкость-силикон. Точный механизм электризации контакта жидкость-твердое тело исследован ранее опубликованными работами 37,38,39 .Тем временем нижний слой (индукционный слой) BSNG индуцирует накопленные электрические заряды на нижней части верхнего слоя за счет электростатической индукции. Затем асимметричные электрические заряды между двумя жидкими электродами образуют разность потенциалов, которая заставляет электроны течь от одного электрода к другому через внешнюю цепь, вызывая токовый сигнал. Когда механическое усилие, оказываемое на BSNG, устраняется, камеры закрываются из-за внутренней упругости BSNG.Электрификационная жидкость в камерах выжимается обратно в резервуар и покидает силиконовую подложку камер. Поглощенные ионы остаются на поверхности силикона, а избыточные сопряженные ионы образуются в жидкости, положительные заряды в жидкости асимметрично экранируют отрицательные трибоэлектрические заряды на поверхности силикона, вызывая обратный ток во внешней цепи. Посредством многократного приложения и отпускания механической тяги движение электрифицированной жидкости вперед и назад вызывает непрерывный переменный электрический сигнал между двумя электродами ионного раствора, и во внешней цепи генерируется непрерывный переменный ток.

Характеристика бионического растягиваемого наногенератора

Предложенный принцип работы BSNG подтвержден посредством моделирования методом конечных элементов с использованием программного обеспечения COMSOL. Распределение потенциала поверхности BSNG при 50% деформированном состоянии в поперечном сечении показано на рис. 2d. Подробную информацию об изменениях поверхностного потенциала BSNG при различной деформации можно найти на дополнительном рисунке 7. Благодаря превосходной растяжимости силикона и сегментированной структуре PDMS, BSNG можно растянуть более чем на 60% (рис.2д). Испытания на одноосное растяжение проводятся для оценки механических свойств BSNG, PDMS, силикона, двухслойного композита PDMS-силикон и BSNG (рис. 2f). BSNG может сохранять свою прочность, когда деформация растяжения достигает 60%.

Установлено, что BSNG обладает выдающимися характеристиками в жидкой среде. Подводные выходы вытянутого вручную BSNG показаны на рис. 3a – c. Пиковое напряжение холостого хода ( В oc ), ток короткого замыкания ( I sc ) и переносимый заряд короткого замыкания ( Q sc ) могут достигать 10 В, 36.5 нА и 2 нКл соответственно (частота растяжения 1 Гц, деформация растяжения 50%). Также исследуется взаимосвязь между выходом и различным деформированным состоянием BSNG (рис. 3d-f). Результаты показывают, что V oc , I sc и Q sc BSNG увеличиваются почти в один раз при увеличении деформации с 10 до 50%, соответственно. Это связано с тем, что выход TENG положительно коррелирует с фактической площадью разделения контактов между двумя материалами 36, .В этой работе производительность BSNG напрямую связана с размером открытых каналов при различной деформации растяжения соответственно. Поскольку первые 20% деформации мало влияют на ширину канала, разница в выходе между деформацией 10% и деформацией 20% неочевидна.

Рис. 3

Электрические характеристики бионического растягиваемого наногенератора. a Напряжение холостого хода В oc , b Ток короткого замыкания I sc и ( c ) количество заряда короткого замыкания Q sc BSNG при работе под водой (растянут вручную при 50% нагрузке, 1 Гц). d V oc , ( e ) I sc и ( f ) Q sc BSNG при работе с различной нагрузкой (растяжение линейным двигателем, при 2 Гц). г V oc , ( h ) I sc и ( i ) Q sc BSNG при работе на разной частоте (растягивается линейным двигателем, до 50 % напряжение). j V oc BSNG, который длился ~ 50000 циклов, растянутый линейным двигателем (31250 с, при 50% деформации, при 1.6 Гц). Детали в пределах 5 с в начале, в средней части и в конце теста показаны на верхних маленьких рисунках соответственно. k Сравнение V oc BSNG до и после помещения в нормальную температурную среду в течение одного месяца. Исходные данные ( d f ) предоставляются в виде файла исходных данных. Все данные в ( d f ) представлены как среднее ± стандартное отклонение.

Частота растяжения является одним из важных факторов, влияющих на производительность BSNG.Когда BSNG растягивается линейным двигателем с различной частотой от 0,5 Гц до 2,5 Гц, значения V oc и Q sc немного увеличиваются. Между тем, I sc почти удвоен с 50 нА при 0,5 Гц до 100 нА при 2,5 Гц (рис. 3g – i). Деформированное состояние BSNG поддерживается на уровне 50%. Это связано с тем, что у I sc увеличивалась параллельно скорости. Исходя из модели конденсатора, выходной ток BSNG может быть определен как:

$$ I = \ frac {{\ partial Q}} {{\ partial t}} = C \ frac {{\ partial V}} {{\ partial t}} + V \ frac {{\ partial C}} {{\ partial t}}, $$

(2)

, где Q — накопленные заряды в конденсаторе, C — емкость BSNG и В, — напряжение между двумя электродами 36 .

Силиконовый слой вокруг BSNG действует как изолирующий слой, точно так же, как толстый жировой слой электрического угря, который защищает процесс переноса заряда в BSNG от значительного воздействия электростатической защиты воды. Это причина того, что BSNG по-прежнему демонстрирует хорошие выходные характеристики в жидкой среде. Следует отметить, что подводный выход BSNG ослаблен по сравнению с результатами испытаний из воды. В основном это происходит из-за электростатической защиты воды вокруг BSNG, заряды в воде нейтрализуют частичные заряды на поверхности и внутри BSNG.Стоит отметить, что BSNG также может работать в другом режиме, аналогичном одноэлектродному TENG, который может генерировать пик В oc более 170 В (дополнительный рисунок 8, дополнительное примечание 6) в сухих условиях, но не очевидный выход во влажных условиях (дополнительный рисунок 9, дополнительное примечание 7). Поскольку ранее было много сообщений об одноэлектродном TENG, мы не будем здесь повторяться. Подробный принцип работы (дополнительный рисунок 10, дополнительное примечание 8) и соответствующие результаты характеристики выходной мощности BSNG, работающего в одноэлектродном режиме, можно найти в дополнительных материалах.Кривые плотности мощности BSNG в одноэлектродном режиме и режиме контакта жидкость-твердое тело показаны на дополнительном рисунке 11 соответственно. В одноэлектродном режиме пиковая плотность мощности BSNG может достигать 18 мВт · м -2 при внешней нагрузке 50 МОм. В режиме контакта жидкость-твердое тело пиковая плотность мощности BSNG может достигать 62,5 мкВт · м -2 при внешней нагрузке 300 МОм.

Сопротивление усталости при растяжении — важное свойство растягиваемых устройств. Здесь выполняется испытание на одноосное растяжение в 50 тысяч раз с использованием линейного двигателя для многократного растяжения BSNG до 50% деформации с частотой 1.6 Гц. Весь процесс длится 31250 с. Соответствующий вывод V oc BSNG в общем процессе записан на фиг. 3j. Испытание на усталость при растяжении показывает, что BSNG обладает выдающейся прочностью и устойчивостью к усталости при растяжении. Даже после примерно 25 тысяч рабочих циклов V oc BSNG сохраняет стабильность по сравнению с исходным состоянием ( V oc = ~ 20 В). Когда он достигает примерно 50 тысяч рабочих циклов, V oc BSNG немного увеличивается.Возможное объяснение может заключаться в том, что определенные заряды накопились в каналах внутри BSNG после определенного количества циклов трения 40,41 . Характеристика внутренней структуры BSNG после 50-тысячного испытания на усталость показывает, что бионические каналы внутри BSNG не повреждены (дополнительный рисунок 12, дополнительное примечание 9). Благодаря небольшому напряжению трения между жидкостью и мягким веществом бионические каналы внутри BSNG нелегко повредить даже после длительного периода возвратно-поступательного движения жидкости для электрификации.Благодаря хорошей воздухонепроницаемости силикона, после хранения BSNG в сухой среде в течение одного месяца выходные характеристики BSNG не демонстрируют очевидного ухудшения (рис. 3k).

Подводное зондирование и сбор энергии

BSNG можно использовать для сбора механической энергии и наблюдения за движением человеческого тела в жидких средах. Превосходная гибкость и растяжимость делают BSNG пригодными для ношения и адаптации к человеческому телу. Используя все преимущества гибкости, растяжимости и хорошей механической чувствительности в жидкой среде BSNG, комплект многопозиционной системы мониторинга движения человеческого тела и беспроводной передачи, используемой под водой, построен путем интеграции BSNG и пакетной многоканальной беспроводной передачи сигнала. модуль (рис.4а). Обнаружена линейная зависимость между кривизной локтя и выходным напряжением BSNG, закрепленного на руке человека для отслеживания движений человека (рис. 4b). Встроенный носимый BSNG разработан для системы путем фиксации BSNG на силиконовом браслете. В общей сложности четыре BSNG носят на локтях и коленях человеческого тела соответственно (рис. 4c). Сигналы движения четырех артрозов могут быть получены в реальном времени с помощью различного программного обеспечения, установленного на портативном компьютере (дополнительный фильм 1).Система протестирована в обычном бассейне. Волонтер носит систему на основе BSNG и плавает в разных стилях плавания. При погружении в воду сигналы движения различных частей тела человека отображаются и записываются на экране компьютера в режиме реального времени. Результаты показывают, что амплитуда сигнала движения максимальна при брассе из-за большой амплитуды движения руки и толчка ногой (рис. 4d). Частота сигнала движения самая высокая при плавании вольным стилем и самая низкая во время плавания на спине.Когда человек идет по воде, сигналы движения воспринимаются только ногой, в то время как сигнал руки не очевиден. Данные записанных сигналов движения каждого гребка плавания были дополнительно проанализированы на дополнительном рисунке 13 и дополнительном примечании 10. Средняя амплитуда движения и средний временной интервал пиков сигналов движения каждого гребка были извлечены, соответственно. Используя информацию, полученную от BSNG, мы можем проанализировать конкретный случай каждого движения пловца, чтобы оценить физиологическое состояние под водой.Система может использоваться для контроля движений и тренировки пловцов. Смоделированные сигналы тела человека при утоплении также могут быть записаны системой (дополнительный рисунок 14). Доказано, что беспроводная система отслеживания движения на базе BSNG выполняет роль «черного ящика» для находящихся в опасности пловцов.

Рис. 4

Подводная беспроводная многопозиционная система мониторинга движения человека. a Иллюстрация подводной беспроводной многопозиционной системы мониторинга движения человека на основе бионического растягиваемого наногенератора (BSNG). b Сигнальные выходы БСНГ, закрепленные на колене при движении разной кривизны. c Фотографии интегрированного носимого BSNG, носимого при артрозе человека. d Выходные сигналы, записываемые подводной беспроводной многопозиционной системой мониторинга движений человека, когда доброволец плавал разными гребками (LA, RA, LG, RG представляют левую руку, правую руку, левую ногу, правую ногу соответственно; интервал PP представляет время интервал между двумя пиками)

Подводное спасение — еще одно важное применение BSNG.Подводная спасательная система состоит из BSNG, модуля беспроводного приемопередатчика и сигнальной лампы (рис. 5a – c). Простая принципиальная схема системы показана на рис. 5г. Четыре носимых BSNG, интегрированные с конденсатором, используются для сбора механической энергии от движений человека, которая используется в качестве источника питания для пульта дистанционного управления. Конденсатор емкостью 100 мкФ подключен к четырем BSNG параллельно через выпрямитель, соответственно, для проверки возможности зарядки BSNG для устройства накопления энергии.Напряжение конденсатора заряжается от 0 до 3 В примерно за четыре с половиной часа, что может заставить беспроводной передатчик один раз подать сигнал запуска (рис. 5e, дополнительный рисунок 15, дополнительное примечание 11). Затем конденсатор емкостью 100 мкФ, заряженный четырьмя выпрямленными BSNG, носил на теле человека в течение примерно 4 часов, сигнал беспроводной передачи может быть запущен для дистанционного включения красного светового сигнала (рис. 5f, дополнительный фильм 2). Кроме того, при нажатии BSNG на плече человека можно легко загореться аварийный световой сигнал SOS, состоящий из 12 красных светодиодов (дополнительный рисунок 14, дополнительный фильм 3).Превосходная способность работать под водой позволяет BSNG играть важную роль в подводных применениях, выступая в качестве устройства для сбора энергии или датчика с автономным питанием. Следует отметить, что BSNG также имеет множество применений в повседневной жизни (дополнительный рисунок 16, дополнительное примечание 12), например, сбор энергии или автономный мониторинг при бодибилдинге, создание интерфейса человек-машина и т. Д.

Рис. 5

Подводная спасательная система на основе бионического растягиваемого наногенератора.Фотография подводной спасательной системы, которая включала ( a ) интегрированный энергоаккумулирующий гидрокостюм, ( b ) интегрированный беспроводной передатчик и ( c ) беспроводной приемник, интегрированный с красным сигнальным светом. d Простая принципиальная схема подводной спасательной системы. e Изменения напряжения конденсатора емкостью 100 мкФ, заряжаемого BSNG и используемого для питания беспроводного передатчика для генерации сигнала запуска. f Физическая карта подводной спасательной системы, отправляющей сигнал тревоги, когда пловец находится в опасности (красный светодиод загорался дистанционно)

Высокоэффективный биоинспирированный интегрированный фотоэлектромеханический наногенератор

Принцип работы Pem-iTENG

Разработанный Pem -iTENG имеет топологию поверхности, состоящую из бионических ресничек, покрытых TiO 2 / PANI (дополнительные рис.1, 2 и дополнительное примечание 1, 2). Наш Pem-iTENG накапливает многочисленные отрицательные заряды в пленке PDMS из-за избыточных фотогенерируемых электронов (также называемых фотоэлектронами) в результате фотокатализа и трибоэлектрических отрицательных зарядов в результате контактной электризации. Здесь перенос электронов в контактной электризации, индуцированной фотоэлектронами (рис. 1 (a) i), трибоэлектрическими отрицательными зарядами (рис. 1 (a) ii) и суперпозицией двух зарядов (рис. 1 (a) iii) описаны отдельно, чтобы объяснить этот эффект усиления.Переносимый электрон представляет собой разницу на единицу площади между последним состоянием потока приливной волны (например, на рис. 1 (c) i) и первым состоянием потока приливной волны (например, на рис. 1 (c) viii). ). Мы предполагаем, что на рис. 1 (a) i нет отрицательного трибоэлектрического заряда, есть только фотоэлектроны, и что переносимый электрон составляет n под приливными волнами и солнечным светом. Перенос электронов немодифицированного TiO 2 / PANI, только трибоэлектрического отрицательного заряда, составляет м под приливными волнами и солнечным светом (рис.1 (а) ii). Следовательно, переносимые электроны Pem-iTENG составляют m + n за счет суперпозиции фотоэлектронов и трибоэлектрического отрицательного заряда под воздействием приливных волн и солнечного света (рис. 1 (a) iii).

Рис. 1: Принцип работы Pem-iTENG.

a Pem-iTENG с гетеропереходом P-N (i). Немодифицированный и модифицированный Pem-iTENG во время двух состояний потока приливных волн (ii и iii). b Принципы фотокатализа бионических ресничек с гетеропереходом P-N. c Контактная электризация Pem-iTENG в цикле возвратно-поступательных приливных волн и направления свободного переноса электронов между двумя электродами.

Принцип работы Pem-iTENG можно описать следующим образом. Гетеропереход P-N типа II устанавливается на поверхности бионических ресничек. Когда он освещается ультрафиолетовой (УФ) и видимой частями падающего солнечного света, эффективное разделение фотогенерированных электронов и дырок (рис. 1b) может быть реализовано за счет встроенного поля PN гетероперехода 27,28,29 .Избыточные фотоэлектроны задерживаются в TiO 2 , потому что частицы TiO 2 окружены PANI и бионическими ресничками. Фотогенерированные отверстия переносятся в ПАНИ, где они контактируют и реагируют с влажным туманом морской воды или органическими примесями. Это увеличивает поверхностную плотность отрицательного заряда пленки PDMS. Впоследствии, в соответствии с контактной электрификацией твердое тело-жидкость 19,30,31,32,33,34 , мы предлагаем принцип работы Pem-iTENG, основанный на синергии контактной электризации и фотокатализа в цикле возвратно-поступательных приливных волн (см. Рис. .1в).

Когда водные волны погружают поверхность пленки PDMS с бионическими ресничками, соприкасающаяся морская вода образует двойной электрический слой с пленкой PDMS, который частично экранирует отрицательные заряды на пленке PDMS. Из-за асимметричного распределения зарядов неуравновешенный потенциал между двумя электродами заставляет свободные электроны течь от одного электрода к другому и образует переменный ток через внешнюю цепь (см. Рис. 1 (c) i, iii, v, vii ). Когда приливная волна поднимается или опускается до зазора между двумя электродами, переносимый электрон отсутствует (рис.1 (c) ii, vi). Когда приливная волна поднимается к вершине (рис. 1 (c) iv), разность потенциалов между двумя электродами спадает до нуля без переноса электронов из-за симметричного экранирования двойного электрического слоя. Во время первого подъема водной волны пленка PDMS продолжает накапливать трибоэлектрические отрицательные заряды и фотоэлектроны, не рассеиваясь в течение определенного периода времени, и между двумя электродами нет переносимого электрона (рис. 1 (c) viii). Стоит отметить, что морская вода остается электрически нейтральной на протяжении всей контактной электрификации.

Характеристика морфологии биоинспирированного Pem-iCM

Поверхность листа лотоса покрыта большим количеством микромастоидных и восковых материалов, и каждый микромастоид покрыт большим количеством наноразмерных ветвистых супергидрофобных ресничек (рис. 2а). . Когда капли воды соприкасаются с поверхностью листа лотоса, возникает эффективный поток капель воды (рис. 2b). Согласно теории смачивания Кэсси и Венцеля, горизонтальное возвратно-поступательное движение увеличит контакт с воздушным карманом на поверхности, и капли будут оставлять минимальный остаток на поверхности ресничек во время возвратно-поступательного очищения.Вдохновленная этим, предлагается стратегия магнитного роста бионических ресничек, индуцированная порошком кобальта (размеры 300 нм, 800 нм, 1300 нм). Экспериментальные результаты показывают, что размер порошка Co влияет на плотность и длину бионических ресничек (Fig. 2c). По мере увеличения размера частиц Co плотность бионических ресничек постепенно уменьшается (дополнительная таблица 1). Это связано с тем, что чем больше размер частиц, тем больше сила тяжести, что приводит к плохой диспергируемости в растворе смеси с PDMS / Co.

Рис. 2: Морфологическая характеристика листа лотоса и бионических ресничек.

a Прототип листа лотоса. b СЭМ-изображение листа лотоса. На вставке — сосочковый выступ на поверхности листа лотоса. c Приготовленный физический образец Pem-iCM. d f Различные соотношения сторон бионических ресничек (дополнительная таблица 1, соотношение сторон (47, 25, 13) = длина (мм) / диаметр (мм)). На вставках показаны углы смачивания воды трех образцов. g i Поперечные СЭМ-изображения бионических ресничек с различными соотношениями сторон.

Более того, по мере увеличения размера наночастиц Co угол смачивания бионических ресничек постепенно уменьшается. Краевой угол смачивания Pem-iCM с размером наночастиц Co 300 нм является наибольшим среди трех образцов (> 150 °), что подтверждает его супергидрофобные свойства поверхности (рис. 2d – f). По мере увеличения размера наночастиц Co длина бионических ресничек постепенно уменьшается (рис.2g – i), а шероховатость отдельной реснички наибольшая (рис. 2i). Когда бионические реснички модифицируются PANI / TiO 2 , шероховатость поверхности Pem-iCM не изменяется, и ее влияние на электрические свойства Pem-iTENG во время возвратно-поступательной очистки можно игнорировать (дополнительные рисунки 3, 5). Поверхность Pem-iCM похожа на коническую структуру листа лотоса с множеством более тонких волокон, связанных вместе. Диаметр бионических ресничек составляет около 10–80 мкм, а длина бионических ресничек составляет ~ 1 мм.

Электрические характеристики и фотоэлектрический механизм Pem-iTENG

Напряжение холостого хода (рис. 3a) и ток короткого замыкания (рис. 3b) Pem-iTENG измеряются при периодическом движении (2 Гц) в темноте / светлом цикле. . Видно, что напряжение холостого хода увеличивается с 38,8 В (темный) до 59,87 В (светлый), то есть в 1,54 раза. Напряжение холостого хода быстро восстановилось до ~ 38 В при выключении света. Рисунок 3b показывает, что выходной ток быстро увеличивается от темноты к свету, а положительный ток короткого замыкания увеличивается с 2.От 82 мА (темный) до 4,55 мА (светлый), коэффициент 1,67. Отрицательный ток короткого замыкания увеличивается с -3,55 мА (темный) до -4,97 мА (светлый), то есть в 1,40 раза.

Рис. 3: Электрические характеристики и фотоэлектрический механизм Pem-iTENG.

a Кривая напряжения холостого хода при темном / световом цикле. b Кривая тока короткого замыкания при цикле темнота / свет. c Зависимость плотности выходной мощности Pem-iTENG от сопротивления внешней нагрузки при световом облучении. d Спектр поглощения Pem-iCM. e Схематическое изображение разделения электронов и дырок и переноса между TiO 2 и PANI. f Схематическое изображение реакции переноса заряда и фотокатализа.

Плотность выходной мощности Pem-iTENG сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения сопротивления нагрузки под действием света (уравнение (1) и рис. 3c). Когда сопротивление нагрузки составляет 88 МОм, максимальная выходная плотность мощности составляет 17,23 мВт / см −2 под светом.Это указывает на то, что наш Pem-iTENG с таким внешним сопротивлением может получить максимальную плотность выходной мощности при освещении светом.

На рис. 3d показаны спектры поглощения Pem-iCM, модифицированного с использованием и без PANI. Видно, что Pem-iCM, модифицированный PANI, демонстрирует улучшенную характеристику поглощения во всем диапазоне измерений (200–900 нм) благодаря хорошим свойствам поглощения PANI. Pem-iCM очень помогает поглощать солнечный свет.

Фотоэлектрический принцип работы Pem-iTENG показан на рис.3д, ф. Когда TiO 2 на бионических ресничках покрывается PANI, на поверхности бионических ресничек формируется гетеропереход P-N типа II. Когда он освещен солнечным светом, TiO 2 и PANI в основном поглощают УФ и видимую части падающего света соответственно. Фотогенерированные электроны и дырки разделены встроенным полем гетероперехода P-N 27,28,29 , и они перемещаются в TiO 2 (фотоэлектроны) и PANI (дырки) (рис. 3e). Когда Pem-iTENG помещается в морскую среду, PANI, покрытый бионическими ресничками, подвергается воздействию влажного водяного тумана, органических веществ и т. Д.Дырки (h + ) на поверхности PANI реагируют с молекулами воды с образованием гидроксильных радикалов (рис. 3 (f) ii), которые способствуют окислению и разложению органических молекул (дополнительный рис. 4), в то время как избыток фотоэлектроны останутся в TiO 2 , потому что частицы TiO 2 заключены между PANI и бионными ресничками (см. рис. 3 (f) i). Следовательно, поверхностная плотность отрицательного заряда пленки PDMS будет увеличиваться. Впоследствии, когда приливные волны движутся, контакт твердого вещества и жидкости между морской водой и пленкой PDMS вызывает электризацию контакта 19,32,35,36 .Кроме того, наши эксперименты подтвердили, что увеличение поверхностной плотности заряда Pem-iTENG происходит в результате фотокатализа (дополнительные рисунки 5, 6 и дополнительная таблица 2).

Конструкция и структура Pem-iTENG

В наших экспериментах наш Pem-iTENG с соотношением сторон (25) бионических ресничек демонстрирует самое высокое напряжение холостого хода (64,2 В) (рис. 4a, d, g) и ток короткого замыкания (5,1 мА) (рис. 4б, д, з). Эти значения намного выше, чем у ТЭНов на основе твердого и жидкого контакта (дополнительный рис.7). Саморазрастание бионических ресничек на поверхности пленки PDMS вызывает преобразование трибоэлектрической границы раздела из 2D в 3D, что улучшает состояние контакта твердое тело-жидкость на поверхности. Когда соотношение сторон бионических ресничек уменьшается с 47 до 13, ток короткого замыкания увеличивается с 2,4 мА до 4,5 мА, а затем уменьшается до 2,5 мА (рис. 4b, e, h). Наш Pem-iTENG показывает стабильную производительность после 125 циклов.

Рис. 4: Электрические характеристики при различных соотношениях сторон.

a , d , g Напряжения холостого хода Pem-iTENG с различными соотношениями сторон. b , e , h Токи короткого замыкания Pem-iTENG с различными соотношениями сторон. c , f , i Переходное напряжение и плотность тока Pem-iTENG при внешнем сопротивлении 10 2 Ом – 10 9 Ом.

При подключении к внешним нагрузкам от 10 2 Ом до 10 9 Ом, различные резистивные характеристики, включая напряжение и плотность тока, представлены при различных соотношениях сторон бионических ресничек (рис.4в, е, и). Замечено, что кривая, характерная для каждого рисунка под действием внешних нагрузок, согласуется с законом Ома. Когда внешнее сопротивление находится в рабочей области I (10 2 Ом − 10 4 Ом), значение сопротивления намного меньше внутреннего сопротивления Pem-iTENG, который находится в состоянии тока короткого замыкания. Когда внешнее сопротивление находится в рабочей области II (10 4 Ом – 10 9 Ом), значение внешнего сопротивления эквивалентно внутреннему сопротивлению Pem-iTENG, и это значительно ограничивает перенос заряда между двумя электродами.Количество переносимых зарядов в рабочей области II меньше, чем в рабочей области I. Следовательно, с увеличением внешних нагрузок выходной ток падает, а выходное напряжение растет в рабочей области II. Когда внешнее сопротивление находится в рабочей области III (> 10 9 Ом), внешнее сопротивление намного превышает внутреннее сопротивление Pem-iTENG. Выходное напряжение Pem-iTENG находится в состоянии напряжения холостого хода. Как известно, максимальная плотность мощности приходится на внешнее сопротивление, совпадающее с внутренним сопротивлением ТЭНов.Максимальная плотность мощности у трех групп Pem-iTENG различается, и это причина того, почему выходные характеристики Pem-iTENG меняются при различных соотношениях сторон бионических ресничек.

Характеристики Pem-iTENG для сбора водных волн

Здесь был использован линейный двигатель для моделирования водной волны с рабочими частотами от 0,1 до 5 Гц. Для деионизированной (DI) воды напряжение холостого хода сначала увеличивается, а затем колеблется с увеличением частоты водяных волн, а максимальное пиковое значение составляет ~ 124.2 В при 1 Гц (рис. 5а). Для раствора NaCl и морской воды тенденция изменения напряжения холостого хода аналогична таковой для деионизированной воды (рис. 5b, c). Пиковое напряжение сильно зависит от плотности заряда при контактной электризации. Площадь контакта твердой и жидкой фазы между водой и Pem-iTENG при контактной электризации может изменяться, когда частота волны в воде ниже 1 Гц. Следовательно, пиковое напряжение получается при 1 Гц, потому что водная волна может покрыть всю площадь Pem-iTENG. Однако, когда частота контактной водной волны продолжает увеличиваться (> 1 Гц), плотность заряда с противоположной полярностью на Pem-iCM и поверхности жидкости легко нейтрализуется из-за части жидкости, удерживаемой на Pem-iCM, что приводит к колебаниям пиковое напряжение 37 .Следовательно, Pem-iTENG показывает наибольшее пиковое напряжение на частоте 1 Гц в нашем эксперименте. Ток короткого замыкания имеет тенденцию сначала увеличиваться, а затем уменьшаться с увеличением частоты водной волны (рис. 5d – f). Таким образом, электрические характеристики можно оптимизировать, регулируя частоту волн в воде Pem-iTENG.

Рис. 5: Влияние водной волны на электрические характеристики.

a , d Влияние деионизированной воды на электрические характеристики Pem-iTENG. b , e Влияние 0,1 М (моль / л) раствора NaCl на электрические характеристики Pem-iTENG. c , f Влияние морской воды на выходную электрическую мощность Pem-iTENG. g , h , i Частотная зависимость напряжения холостого хода, плотности тока короткого замыкания и плотности мощности 37 Pem-iTENG, работающего в трех жидкостях, соответственно.

На рис. 5g, h показано влияние частоты на электрические характеристики Pem-iTENG, работающего в трех жидкостях (деионизированная вода, 0.1 М раствор NaCl, морская вода). Можно видеть, что Pem-iENG, работающий в 0,1 М растворе NaCl, демонстрирует наименьшие напряжение холостого хода и плотность тока в трех жидкостях во время процесса скольжения твердое тело-жидкость. Выходные электрические характеристики Pem-iTENG постепенно увеличиваются при работе в морской и деионизированной воде соответственно. Результат эксперимента показывает, что концентрация примесей в жидкости влияет на производительность Pem-iTENG 19,32 . Следовательно, Pem-iTENG, работающий в DI-воде и морской воде, будет демонстрировать лучшую способность собирать энергию водных волн по сравнению с таковой, работающей в 0.1 М раствор NaCl.

Таким образом, Pem-iTENG, работающий в деионизированной воде, показывает максимальную плотность выходной мощности (17,23 мВт / см −2 ) (рис. 5i), напряжение холостого хода (124,2 В) и плотность тока короткого замыкания (221,6 мкА). см −2 ).

Эффективность преобразования энергии и ее применение

Результаты показывают, что 3D-TENG, PTFE-TENG и пирамидальный TENG демонстрируют выдающиеся электрические характеристики в TENG на основе твердо-жидкого контакта 37,38,39,40,41,42, 43,44,45 (рис.6a и дополнительный рисунок 7 и дополнительное примечание 3). По сравнению с тремя вышеупомянутыми TENG, наш Pem-iTENG не только достигает самого высокого напряжения холостого хода, но также достигает прорыва тока короткого замыкания, который почти в десять раз больше, чем у 3D-TENG (рис. 6a). Результаты этих электрических характеристик в основном приписываются эффективному преобразованию энергии фотоэлектрической-электромеханической интегрированной системы.

Рис. 6: Эффективность преобразования энергии и применение Pem-iTENG.

a Сравнение электрических характеристик Pem-iTENG и зарегистрированных TENG на основе твердо-жидкого контакта. b Кривая плотности тока-напряжения ( J-V ) Pem-iTENG при интенсивности солнечного света и приливных волнах. c Кривые напряжения для зарядки пяти промышленных конденсаторов с помощью Pem-iTENG, соответственно. d Кривая заряда конденсатора 0,47 мкФ. e Принципиальная электрическая схема автономной беспроводной системы мониторинга окружающей среды.

Чтобы оценить способность нашего Pem-iTENG преобразовывать энергию, записывается кривая плотности тока-напряжения ( JV ) при различных внешних нагрузках и рассчитывается эффективность преобразования энергии ( PCE ) применительно к солнечным элементам 35, 46,47,48,49 в уравнениях. (2) — (3) (рис. 6б). Следовательно, наш Pem-iTENG демонстрирует высокую эффективность преобразования энергии 16,72% при интенсивности солнечного света и приливных волн. Между тем, мы также рассчитали значения PCE для трех вышеуказанных TENG в соответствии с тем же методом (дополнительная таблица 3 и дополнительное примечание 4).Эффективность преобразования энергии у Pem-iTENG, PTFE-TENG, 3D-TENG и пирамидного TENG составляет 16,72%, 12,59%, 7,33% и 10,69% соответственно (дополнительный рисунок 8 и дополнительное примечание 5). Pem-iTENG PCE примерно в 2,28 раза выше, чем 3D-TENG. Это наглядно продемонстрировало, что наш Pem-iTENG демонстрирует превосходную эффективность преобразования энергии. Повышение эффективности преобразования энергии в нашем Pem-iTENG предлагает новую идею повышения производительности TENG за счет комплексного и эффективного использования различных природных источников энергии в будущем.

На рисунке 6c показана выходная мощность Pem-iTENG для зарядки пяти конденсаторов через коммерческий выпрямительный мост. Скорость использования Pem-iTENG для зарядки конденсатора уменьшается с увеличением емкости. Когда конденсатор имеет постоянное значение емкости (например, значение емкости 47 мкФ), чем выше номинальное напряжение, тем медленнее скорость зарядки. Среди этих TENG, о которых сообщалось, наш Pem-iTENG был самым быстрым, чтобы зарядить конденсатор 10 мкФ, зарядив его до 3,5 В за 10 с. Чтобы проверить возможность подачи питания нашего Pem-iTENG на электронное устройство, конденсатор емкостью 10 мкФ можно зарядить до 3.3 В в течение 6 с, затем он используется для управления беспроводным передатчиком для отправки сигнала запуска (рис. 6d).

Кроме того, мы разработали беспроводную систему мониторинга окружающей среды с автономным питанием. Его можно интегрировать в сеть для эффективного захвата прибрежной приливной и солнечной энергии (рис. 6e, дополнительный рис. 9, дополнительное примечание 6 и дополнительный ролик 1). Эта система может обслуживать устройства беспроводной передачи данных и контроля температуры и влажности, которые удобны для обеспечения жителей прибрежных районов данными о состоянии морской среды в реальном времени.Между тем, эта система также может быть помещена в воду для подачи энергии для спасательного оборудования, чтобы уменьшить вероятность морских аварий. В целом, наш Pem-iTENG недорогой и универсальный, он может поставляться для морских энергопотребляющих устройств, таких как маяки, буи и устройства для определения температуры воды, помогающие рабочим на море.

Границы | Применение трибоэлектрического наногенератора в умном доме и одежде

Введение

Самым важным преобразованием энергии в истории человечества является сжигание, такое как использование угля, нефти и т. Д., которые обычно неэффективны и вызывают серьезные экологические проблемы. Таким образом, реализация эффективного преобразования и хранения энергии всегда вызывает интерес научных исследований. Несмотря на быстрое развитие современных аккумуляторов, таких как топливные элементы и литий-ионные аккумуляторы, из-за огромного распределения использования аккумуляторов и короткого срока службы по-прежнему требуются большие усилия для мониторинга аккумуляторов, их замены и утилизации. Кроме того, неизбежные явления, такие как механическая вибрация или трение деталей, вызывают рассеяние энергии.Таким образом, разработка чистой и эффективной энергии или улучшение использования энергии стало актуальной проблемой, связанной с миром во всем мире и экономическим развитием. Сбор и использование энергии, теряемой в результате трения, является экологически чистым и эффективным способом повышения энергоэффективности. С тех пор, как в 2012 году исследовательская группа профессора Ван Чжунлиня изобрела трибоэлектрический наногенератор (TENG), она сделала много прорывов в базовом механизме и автономной системе TENG. TENG имеет множество преимуществ в области сбора энергии с помощью микронано-наночастиц и может широко использоваться в датчиках, портативных устройствах и т. Д.

Основной принцип

Принцип TENG основан на сочетании трибоэлектрического заряда и электростатической индукции (Li et al., 2017). Обычно, когда два материала контактируют друг с другом, в некоторых частях поверхности раздела образуются химические связи, и между интерфейсами передаются заряды для уравновешивания электрохимического потенциала, тем самым генерируя трибоэлектрические заряды. Под действием внешних сил фрикционно заряженные поверхности раздела перемещаются друг с другом, вызывая периодическое изменение разности потенциалов в TENG.В условиях короткого замыкания через нагрузку протекает переменный ток для достижения электростатического баланса между двумя электродами.

Он имеет четыре основных режима (Niu et al., 2013; Yang et al., 2013): (а) режим вертикального разделения контактов; (б) режим бокового скольжения; (в) одноэлектродный режим; (г) самонесущий трибоэлектрический слоистый режим.

С 2012 года разработаны четыре различных режима ТЭНов и автономные электрохимические системы на их основе. Прогресс исследований в основном включает следующие аспекты: во-первых, для использования различных механических источников и удовлетворения различных практических применений было разработано множество структур, включая подпружиненные, арочные, зубчатые, решетчатые, многослойные и т. Д. .Во-вторых, различные автономные системы были разработаны для сбора различных источников энергии, включая движение человека, вращение двигателя, энергию ветра и энергию воды. В-третьих, сообщалось о множестве приложений, основанных на TENG, особенно о датчиках с автономным питанием, которые можно разделить на две категории: физические датчики и химические датчики.

Обсуждение

Принцип работы трибоэлектрического наногенератора определяет его тенденцию развития: устойчивую, гибкую, эффективную, недорогую и экологически безопасную конструкцию.Он будет использоваться для создания сверхчувствительных датчиков, микроэлектромеханических устройств, носимой электроники, автономных систем, таких как защита окружающей среды, а новые энергетические технологии обеспечат жизнеспособное решение глобального энергетического кризиса.

Применение ТЭНа в Умном доме

Для большинства умных домов он питается от внешнего источника. После появления фрикционного наногенератора его можно оснастить датчиками, способными реагировать на изменения окружающей среды без источника питания для управления умным домом.

Пример 1

Трибоэлектрический наногенератор можно использовать в качестве датчика переключения для осветительных приборов умного дома. В настоящее время переключатель света в умном доме можно разделить на переключатель голосового управления и переключатель управления освещением. Однако лампы, управляемые этими двумя переключателями в умном доме, должны автоматически выключаться на определенный период времени при включении, что приводит к потреблению и бесполезной трате электроэнергии. Предположим, что TENG превращен в деревянный пол в качестве датчика переключателя, механическая энергия идущих людей может быть собрана и преобразована в электрическую энергию, для этого не требуется внешний источник питания, поэтому нет необходимости в переключателе света.Это может эффективно избежать проблемы, заключающейся в том, что время освещения превышает фактическое время, и эффективно сэкономить энергию.

Пример 2

Можно сконструировать трибоэлектрический наногенератор, интегрированный в оправу очков, который обнаруживает крошечные мигающие движения и преобразует их в сигнал напряжения, который подается на два механических интерфейса человек-машина в реальном времени — системы управления умным домом и беспроводные руки. система свободной печати (Pu et al., 2017).

Пример 3

При трении, величине напряжения, генерируемого наногенератором, а также величине и частоте характеристик, связанных со скоростью внешнего приложения силы, трибоэлектрический наногенератор используется в домашних полах в качестве датчика для определения давления.

Пример 4

Когда ТЭН установлен под ковром у двери или на дверной ручке, он может играть роль охранника при взломе. Более того, TENG можно превратить в матрицу, установленную под полом, в зависимости от местоположения электрического сигнала, чтобы определить местонахождение постороннего. Положение постороннего на полу также может передавать информацию через Bluetooth, WiFi и т. Д. Режим беспроводной передачи, передаваемый в систему управления камерой наблюдения для включения камеры.Отслеживание и позиционирование дела помогает расследованию дела и сбору доказательств.

Применение ТЭНа в одежде

Интеллектуальные носимые устройства на тканевой основе, представляющие собой сочетание Интернет-технологий и современного микро-интеллектуального производства в области текстиля и одежды, выдвигают требования к системам электроснабжения, которые должны быть меньше по размеру, долговечнее, гибче и просты в эксплуатации. интеграция, низкая общая стоимость, чистота и экологичность.TENG может быть использован в этом аспекте очень хорошо.

Пример 5

Датчик ускорения на основе трибоэлектрического наногенератора может быть размещен на подошве обуви для эффективной регистрации частоты и ускорения бегущих людей.

Пример 6

Для формирования ТЭНов на одежде используется специальный материал, а затем электрический сигнал генерируется посредством трения деятельности тела для обеспечения энергией системы нагрева одежды. TENG на одежде также может использоваться в качестве коллектора энергии для поглощения статического электричества на одежде и уменьшения явления статического электричества на одежде.

Пример 7

TENG также можно интегрировать в умные перчатки для распознавания жестов. Когда палец согнут или выпрямлен, область контакта кожи и TENG изменится, и напряжение в реальном времени изменится соответствующим образом, чтобы реализовать индукцию различных жестов.

Пример 8

Конструкция TENG прикреплена к стельке и генерирует электрический сигнал при ходьбе. С одной стороны, он действует как устройство преобразования энергии для сбора энергии, с другой стороны, он может непосредственно стерилизовать стельку.

пр-т миниатюризации

На данном этапе текущая выходная мощность системы TENG, как правило, мала, и плотность заряда трения требует дальнейшего улучшения. Случайность трения порождает силу трения, угол контакта и т. Д. В каждом цикле трения есть неопределенные различия, что приводит к нестабильной выходной мощности TENG. Электрическое сопротивление в электрической цепи трибоэлектрической системы слишком велико для обеспечения прямого и эффективного питания электронных компонентов, поэтому на данном этапе эта система обычно используется в области измерения малой мощности в реальном времени.Поскольку текущая мощность, преобразованная из низкочастотной энергии, слишком мала для использования для зарядки, все еще существует узкое место в продвижении разработки полной системы поддержки энергоснабжения на основе TENG. В практических приложениях большинство электрических сигналов, выводимых TENG, являются электрическими сигналами переменного тока, для которых требуется внешний выпрямительный мост или конденсатор, что отрицательно сказывается на миниатюризации.

В ответ на эти узкие места можно адаптироваться к случайности фрикционного движения, комбинируя несколько моделей TENG и изменяя форму поверхности трения; выбор соответствующего фрикционного слоя и диэлектрического материала может эффективно снизить сопротивление электрической цепи; за счет увеличения плотности заряда на поверхности трения и ускорения Увеличьте мощность выходного тока за счет цикла трения, увеличения площади трения и т. д.; основываясь на текущих выходных характеристиках системы в реальном времени, спроектируйте систему хранения и развертывания энергии, адаптированную к системе выработки энергии, и, наконец, спроектируйте фрикционный нанометр с превосходными электрическими выходными характеристиками и генератором производительности ткани. Что касается преобразования энергии, можно расширить исследования новых структур, таких как TENG постоянного тока, которые не требуют внешних конденсаторов, и способствовать их интеллектуальности и миниатюризации.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Ли М., Портер А. Л. и Ван З. Л. (2017). Анализ эволюционных тенденций исследований наногенераторов, основанный на новой перспективе поэтапной библиографической связи. Nano Energy 34, 93–102. DOI: 10.1016 / j.nanoen.2017.02.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ню, С., Wang, S., Lin, L., Liu, Y., Zhou, Y.S, Hu, Y., et al. (2013). Теоретическое изучение жульничества? трибоэлектрические наногенераторы тактового режима как эффективный источник энергии. Energy Environ. Sci. 12, 3576–3583. DOI: 10.1039 / c3ee42571a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pu, X., Guo, H., Chen, J., Wang, X., Xi, Y., Hu, C., et al. (2017). Движение глаз запускалось автономной мехносенсорной системой связи с использованием трибоэлектрического наногенератора. Sci. Adv. 7: 1700694.DOI: 10.1126 / sciadv.1700694

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян, Ю., Чжан, Х., Чен, Дж., Цзин, К., Чжоу, Ю. С., Вэнь, X., и др. (2013). Одноэлектродный скользящий трибоэлектрический наногенератор для автономной системы датчиков вектора перемещений. Acs Nano 8, 7342–7351. DOI: 10.1021 / nn403021m

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Как работают наногенераторы | HowStuffWorks

Наногенератор состоит из интегральной схемы с компонентами из силикона и пьезокерамики, вытравленными на гибкой поверхности, называемой подложкой.В то время как прочность и другие свойства подложки важны при разработке наногенератора, волшебство происходит в схемах. На поверхности, невооруженным глазом, мы можем увидеть серию линий и прямоугольников, которые выглядят как плоское двухмерное изображение. Однако микроскопический взгляд под внешними слоями гибкого чипа показывает совершенно иную трехмерную картину.

В пьезоэлектрическом материале вырабатывается электричество. Как упоминалось ранее, команда Вана использовала ZnO для разработки нанопроволок .Каждая нанопроволока имеет диаметр от 100 до 300 нанометров (ширину проволоки). Длина каждой нанопроволоки составляет около 100 микрон; один микрон = 100000 нанометров. Чтобы представить это в перспективе, обратите внимание, что длина проволоки (а не ширина) примерно равна ширине двух человеческих волос.

В своих наногенераторах команда Вана прикрепляет массив нанопроволок к подложке и помещает силиконовый электрод на другой конец проводов. На поверхности электрода имеется зигзагообразный узор.Когда к наногенератору прикладывается небольшое физическое давление, каждая нанопроволока изгибается и генерирует электрический заряд. Электрод улавливает этот заряд и переносит его через остальную часть схемы наногенератора. Весь наногенератор может иметь несколько электродов, улавливающих энергию миллионов нанопроволок [источники: Greenemeier, Science Daily].

В своих собственных исследовательских группах McAlpine и Purohit применили другой подход к наногенераторам, используя PZT для создания нанолент .Каждая нанолента имеет ширину около 10 микрон и толщину от 250 до 500 нм. Сначала они образуют наноленты на поверхности оксида магния, а затем удаляют их с помощью фосфорной кислоты. Затем они прикрепляют наноленты к предварительно растянутой поверхности силиконовой резины, которая при расслаблении заставляет наноленты изгибаться без разрушения. Когда наноленты изгибаются, их движение генерирует электричество, не отрывая их от поверхности [источник: Бергер].

Опираясь на основную предпосылку формирования гибких проводов из пьезоэлектрического материала, исследователи изучили способы получения большей мощности от каждого генератора.Например, лаборатория Вана улучшала как нанопроволоки, так и схемы в каждом последующем проекте. Ван сообщает, что за последнее десятилетие объем производства увеличился более чем в миллиард раз по сравнению с тем, когда он начинал.

Итак, вы видели, как наногенератор работает изнутри. А теперь давайте посмотрим, где вы можете найти работающие наногенераторы в ближайшие несколько лет.

Создание теплового наногенератора

без твердых движущихся частей

Ссылка на статью: Трибоэлектрический наногенератор на основе жидкого металла с термоакустическим приводом: тепловой генератор без твердых движущихся частей
DOI: 10.1063 / 5.0041415

ВАШИНГТОН, 31 марта 2021 г. — Поскольку экологические и энергетические кризисы становятся все более распространенными явлениями во всем мире, комбайн для сбора тепловой энергии, способный преобразовывать обильную тепловую энергию, такую ​​как солнечное излучение, отходящее тепло, сжигание биомассы или геотермальную энергию, в механическая энергия представляется многообещающей энергетической стратегией для смягчения последствий многих кризисов.

В большинстве технологий производства тепловой энергии используются твердые движущиеся части, которые могут снизить их надежность и привести к частому техническому обслуживанию.Это вдохновило китайских исследователей на разработку теплового энергетического наногенератора без твердых движущихся частей.

Схема трибоэлектрического наногенератора на основе жидкого металла с термоакустическим приводом. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ: Шуньмин Чжу, Гояо Ю, Вэй Тан, Цзяньин Ху и Эркан Ло

В Applied Physics Letters от AIP Publishing исследователи предлагают термомощный наногенератор, называемый трибоэлектрическим наногенератором на основе жидкого металла с термоакустическим приводом, или TA- LM-TENG, который преобразует тепловую энергию в электрическую.

«Этот генератор состоит из двух частей: термоакустического двигателя и трибоэлектрического наногенератора на основе жидкого металла (LM-TENG)», — сказал Гуояо Ю, профессор Технического института физики и химии Китайской академии наук.

Во-первых, термоакустический двигатель преобразует тепловую энергию в акустическую посредством колебательного теплового расширения и сжатия газа. Затем LM-TENG преобразует акустическую энергию в электрическую за счет сочетания контактной электризации и электростатической индукции.

При нагревании теплообменника термоакустического двигателя «газ в двигателе начинает самопроизвольные колебания», — сказал Юй. «Колебательное движение газа толкает столб жидкого металла, движущийся вперед и назад в U-образной трубе. Это заставляет жидкий металл периодически погружаться и отделяться от полиимидной пленки, создавая переменное напряжение на электродах. Это извлекает электроэнергию из TA-LM-TENG ».

Самая желательная особенность TA-LM-TENG — это отсутствие каких-либо твердых движущихся частей, которые могут сломаться, что обеспечивает более надежную работу наногенератора и продлевает срок его службы.

«Этот генератор также обещает теоретически высокую эффективность преобразования тепла в электрическую», — сказал Ю. «И мы разработали и построили концептуальный прототип, чтобы проверить осуществимость нашей концепции. В предварительных экспериментах была достигнута максимальная амплитуда напряжения холостого хода 15 вольт, что означает, что наша концепция была хорошо продемонстрирована ».

Поскольку предлагаемый тепловой энергетический наногенератор может быть уменьшен в размерах, он «демонстрирует потенциал для таких применений, как рекуперация отходящего тепла, энергоснабжение внутри (микроэлектромеханических систем), солнечная энергия и космические энергетические системы», — сказал Ю.

###

Для получения дополнительной информации:
Ларри Фрам
[email protected]
301-209-3090

Название статьи

Трибоэлектрический наногенератор на основе жидкого металла с термоакустическим приводом: генератор тепловой энергии без твердых движущихся частей

Авторы

Шуньмин Чжу, Гояо Ю, Вэй Тан, Цзяньин Ху и Эрцан Ло

Китайские ссылки

9000 Академия наук

Наногенераторы | Энциклопедия

  1. Введение

Энергия является важным требованием для нашей повседневной жизни и устойчивого развития нашего современного общества.Энергия необходима для транспорта, связи, авиации, она также питает наши компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны, стиральные машины, кондиционеры и многие другие электрические и электронные устройства. В последние несколько десятилетий быстрая индустриализация, урбанизация и рост населения увеличили спрос на энергию, что привело к чрезмерному потреблению ископаемого топлива, что привело к уменьшению запасов ископаемых. Растущее глобальное потепление, изменение климата и уменьшение запасов энергии привели к целенаправленным исследованиям в области устойчивых и возобновляемых источников энергии.Согласно Энергетическому прогнозу BP (British Petroleum) на 2018 год, возобновляемые источники энергии — это самый быстрорастущий источник энергии, на который приходится 40% прироста энергии [1]. Биоэнергетика, гидроэнергетика, солнечная энергия и ветер являются одними из хорошо зарекомендовавших себя возобновляемых источников энергии, которые помогают удовлетворить потребность в энергии от мегаватт до гигаватт. В последние десятилетия технологии сбора энергии привлекли внимание с расширением Интернета вещей (IoT), датчиков, носимой и портативной электроники, мобильных телефонов, автоматических систем безопасности, оборонных технологий и т. Д., потому что для них требуются постоянные источники питания, не требующие обслуживания. Как правило, в качестве источника питания для таких устройств используются батареи, срок службы которых ограничен, и они опасны для окружающей среды. В этом отношении использование окружающей механической энергии для питания этих устройств могло бы быть лучшим выбором. Окружающая механическая энергия является распространенной и наиболее важной формой возобновляемого источника энергии среди других источников в окружающей среде [2–4]. Движения человеческого тела обладают огромным потенциалом, которые можно эффективно преобразовать в электричество [5] (Таблица 1).

Таблица 1. Энергетический потенциал движений человеческого тела [5].

Движения тела

Механическая энергия

Доступная электроэнергия

Электроэнергия на движение

Кровоток

0.93 Вт

0,16 Вт

0,16 Дж

Выдох

1 Вт

0,17 Вт

1,02 Дж

Вдыхание

0,83 Вт

0.14 Вт

0,84 Дж

Верхние конечности

3 Вт

0,51 Вт

2,25 Дж

Ходьба

67 Вт

11,39 Вт

18,90 Дж

Печатание пальцев

6.9–19 мВт

1,2–3,2 мВт

226–406 мДж

Этот отчет призван предоставить всесторонний обзор пьезо-, трибо- и пирогенераторов как устойчивых устройств сбора энергии, включая эволюцию, развитие и применение наногенераторов за последнее десятилетие. Обзор ограничен материалами, используемыми в наногенераторах, соответствующим ростом их электрической мощности и их применениями для сбора различной энергии окружающей среды на протяжении многих лет.История и общий обзор разработки наногенераторов представлены в Разделе 2. Затем в Разделе 3 резюмируются работа, выходная мощность и применение пьезоэлектрических наногенераторов.

  1. История развития наногенераторов

Наногенераторы — это, как правило, устройства для сбора энергии, которые вырабатывают электроэнергию из ненужной механической энергии из окружающей среды. Ранее, к концу 17 века, ученые разработали практические способы получения электричества за счет трения.Примитивная форма машины трения была разработана около 1663 г. [6]. Позже несколько исследователей работали над этой машиной, чтобы установить производительность. В 1831 году был открыт электромагнитный генератор, который до сих пор широко используется на тепловых электростанциях. В 1878 году была открыта машина Вимшерста, основанная на статическом электричестве, которая стала популярным генератором статического электричества. В 1929 году был изобретен знаменитый генератор Ван де Граафа, вырабатывающий постоянный ток очень высокого напряжения.Современные генераторы Van de Graaff могут достигать очень высокого потенциала до 25 мегавольт. Позже были разработаны технологии производства электроэнергии на основе пьезоэлектрика, трибоэлектрика и пироэлектрика с применением нанотехнологий. Большая площадь поверхности и настраиваемые физические и химические свойства наноразмерных структур обещают значительно более эффективные технологии, которые могут захватывать, преобразовывать и хранить различные формы энергии, такие как тепловая, лучистая, электрическая, химическая и механическая [7].Важнейшие изобретения в истории сбора механической энергии показаны на Рисунке 1а. Энергопотребление различных устройств при разном уровне мощности представлено на рисунке 1b.

Рис. 1. ( a ) Важнейшие изобретения в истории механической технологии сбора энергии. ( b ) Энергия, необходимая для различных устройств в различных масштабах мощности.

До сих пор использовалось несколько методов сбора энергии окружающей среды, основанных на пьезоэлектрическом эффекте, трибоэлектрическом эффекте, пироэлектрическом эффекте и электромагнитной индукции, которые преобразуют механическую энергию в электричество.Наногенераторы — это развивающаяся технология сбора энергии, которая может собирать различные классы механической энергии, такие как движение человека (то есть ходьба, дыхание, бег, сердцебиение), вибрация, текущая вода, капли дождя и ветер; даже отходящее тепло может быть преобразовано в электричество (пироэлектрический эффект). Первый наногенератор был разработан Ван и др. в 2006 г. использовались нанопроволоки ZnO на основе пьезоэлектрического эффекта, эффективность преобразования энергии которых составила 17–30% [8].

Существуют некоторые доступные методы, такие как традиционные кантилеверные резонаторы и преобразователи для преобразования механических колебаний в электричество, но они эффективно работают только с высокочастотными колебаниями; с другой стороны, наногенераторы могут быть сделаны в наномасштабе, чтобы они могли эффективно улавливать низкочастотные механические колебания.В случае нанопроволоки ZnO ее можно изгибать больше, чем объемный ZnO, без каких-либо повреждений, что позволяет выдерживать большую нагрузку и, таким образом, генерировать больше электричества [8,9]. Различные типы наногенераторов и их применения показаны на рисунке 2. Наногенераторы продемонстрировали более высокий потенциал и несколько инновационных платформ для сбора механической энергии, а также измерения и мониторинга собственной мощности. По мере развития технологий также резко увеличивается количество публикаций в области наногенераторов.Согласно источнику базы данных Science Direct, только в 2018 году было опубликовано около 469 публикаций, что в 1,5 раза больше по сравнению с 2017 годом. Рисунок 3 показывает устойчивый рост исследований в области наногенераторов.

Рисунок 2. Различные типы наногенераторов и их применения в эпоху Интернета вещей (IoT).

Рисунок 3. Количество публикаций в области наногенераторов за годы.


3. Наногенераторы на пьезоэффекте

Пьезоэлектрические наногенераторы (PENG) работают по принципу пьезоэлектрического эффекта, что означает выработку электричества при воздействии механического напряжения. В PENG два электрода со сбалансированными уровнями Ферми на пьезоэлектрическом материале подвергаются внешней деформации, которая создает разность пьезопотенциалов между внутренним и внешним уровнями Ферми (состояние с наивысшей энергией, занимаемое электронами) на контактах [2,8, 10–15].Чтобы уравновесить эту разницу в уровнях Ферми, носители заряда проходят через внешнюю нагрузку, и достигается сбалансированный электростатический уровень. В качестве альтернативы приложение электрического поля к пьезоэлектрическому материалу может вызвать механическую деформацию. Существует два случая PENG [11,16], в одном из которых индивидуальная наноструктура (нанопроволока / наностержень) [17] подвергается деформации, оказываемой перпендикулярно направлению роста нанопроволоки / наностержня, что приводит к генерации электрического поле. На рисунке 4а показана работа PENG при приложении силы перпендикулярно его оси.Когда сила прикладывается перпендикулярно направлению оси наноструктуры с помощью зонда атомно-силовой микроскопии, одна часть наноструктуры растягивается (положительная деформация), а другая подвергается сжатию (отрицательная деформация) [8]. Растянутая поверхность с положительным потенциалом сначала контактировала с зондом, и на этой границе напряжение смещения отрицательное. Таким образом, образуется диод Шоттки с обратным смещением с малым током. Когда зонд контактирует с сжатой стороной наноструктуры с отрицательным потенциалом, на границе раздела формируется смещенное положительное напряжение с резким пиковым выходным током, обусловленным разностью потенциалов между двумя сторонами.Прохождение тока из-за омического контакта, образованного в нижней части наноструктуры, в конечном итоге уравновешивает электрическое поле, генерируемое на острие [8,11]. Проводимость возможна только тогда, когда верхний электрод находится в контакте с отрицательным потенциалом, тогда как ток не будет генерироваться, если верхний электрод находится в контакте с положительным потенциалом. Так обстоит дело с полупроводниковыми наноструктурами n-типа; в случае полупроводниковых наноструктур p-типа будет наблюдаться обратное явление, поскольку дырка в этом случае подвижна.В другом случае внешняя деформация действует параллельно направлению роста наноструктур (рис. 4b). Когда сила прикладывается к кончику выращенной в поперечном направлении нанопроволоки, который уложен между контактом Шоттки и омическим контактом, в нанопроволоке создается одноосное сжатие. Кончик нанопроволоки будет иметь отрицательный потенциал и увеличивает уровень Ферми из-за пьезоэлектрического эффекта. Когда электроны текут от кончика нанопроволоки к основанию через внешнюю цепь, на кончике будет генерироваться положительный потенциал.Контакт Шоттки блокирует поток электронов через нанопроволоки и вместо этого пропускает электроны через внешнюю цепь. Когда приложенная сила снимается, пьезоэлектрический эффект немедленно уменьшается, и положительный потенциал на наконечнике нейтрализуется из-за миграции электронов от нижнего электрода к верхнему, что создает пик напряжения в противоположном направлении. Благодаря выпрямляющему эффекту на месте контакта Шоттки обнаруженный выход демонстрирует характеристики постоянного тока [14].

Рис. 4. ( a ) Сила, действующая перпендикулярно росту нанопроволоки. ( b ) Сила, приложенная параллельно росту нанопроволоки.

В своей работе Zhu et al. заменил этот контакт Шоттки слоем ПММА, чтобы создать потенциальный барьер для накопления заряда [18]. В этом наногенераторе при приложении сжимающей силы вдоль нанопроволок создается пьезопотенциальное поле. В результате электростатической силы индукционные заряды накапливаются наверху и внизу электродов.Это похоже на емкостную конфигурацию, в которой напряженные нанопроволоки можно сравнить с поляризованными дипольными моментами в пластинчатом конденсаторе, заполненном диэлектрическим материалом. Как только приложенное напряжение снимается, пьезопотенциал исчезает, и электроны возвращаются через внешнюю цепь [18,19]. Выход переменного тока наблюдается в случаях емкостной конфигурации и когда диод Шоттки является последовательным сопротивлением в пьезоэлектрических наногенераторах. Чтобы эффективно увеличить выходную мощность PENG, несколько нанопроволок сложены вместе, чтобы эффективно синхронизировать выходное напряжение каждой нанопроволоки.Две эффективных интеграции нанопроволок были разработаны Wang et al. [11,16]; один — наногенератор, интегрированный в вертикальные нанопроволоки, в котором вертикально выращенные нанопроволоки сложены вместе (а). Рабочий механизм вертикально интегрированных PENG включает в себя боковой изгиб и вертикальное сжатие нанопроволок, как объяснялось ранее. Другой — наногенератор, интегрированный в боковые нанопроволоки, в котором параллельно выращенные нанопроволоки уложены вместе в наногенераторе (б). В латерально интегрированных наногенераторах деформация нанопроволок всегда вызывается боковым изгибом либо изгибом подложки, либо приложением давления в радиальном направлении нанопроволок [20].Равномерный боковой изгиб нанопроволок можно рассматривать как поперечное растяжение, пренебрегая распределением деформации в радиальном направлении из-за сверхвысокого соотношения сторон одномерных наноструктур. В исследовании сравнивалась эффективность преобразования энергии как вытянутой в поперечном направлении нанопроволоки, так и вертикально сжатой нанопроволоки, и результаты показали, что изогнутая в поперечном направлении нанопроволока может генерировать более высокое напряжение, чем сжатая.

Рисунок 5. Геометрическая конфигурация пьезоэлектрического наногенератора (PENG). ( a ) Базовая структура вертикально интегрированного наногенератора. ( b ) Базовая структура бокового интегрированного наногенератора.

3.1. Прогресс и оптимизация выходной мощности в PENG
Первый был разработан в 2006 году на основе нанопроволок ZnO [8,10,11,14]. Выровненные нанопроволоки отклонялись проводящим атомным микроскопом с кремниевым наконечником, покрытым платиной, в контактном режиме.Энергетический выход одной нанопроволоки (NW) ZnO за один разряд составляет 0,05 фДж, а выходное напряжение и мощность составляли ~ 8 мВ и ~ 0,5 пВт. Для плотности нанопроволоки 20 / мкм 2 плотность выходной мощности составляет ~ 10 пВт / мкм 2 [8]. Барьер Шоттки, образованный между металлическим наконечником микроскопа и нанопроволокой, генерирует энергию с эффективностью преобразования энергии 17–30% [8,11,21,22]. Гао и Ван (2007) рассчитали распределение пьезоэлектрического потенциала нанопроволоки диаметром 50 нм и длиной 600 нм как 0.3 V (appx) с использованием теории возмущений [14,15]. Расчет показал, что пьезоэлектрический потенциал на поверхности нанопроволоки прямо пропорционален латеральному смещению нанопроволоки и обратно пропорционален аспектному отношению длины к диаметру нанопроволоки [15]. В 2007 году Ван и др. [23] разработали вертикально ориентированный наногенератор ZnO, управляемый ультразвуковой волной с частотой 41 кГц, который генерировал однонаправленный ток 0,15 нА при напряжении холостого хода 0,7 мВ и объемной плотности выходной мощности 1–4 Вт / см. 3 .Было обнаружено, что это напряжение меньше по сравнению с напряжением с зондом атомного микроскопа, поскольку нанопроволоки меньше отклоняются ультразвуковыми волнами. Чтобы эффективно использовать механическую энергию, Qin et al. разработали PENG на основе микроволокна в 2008 году, используя гидротермальный подход с тонкопленочным слоем ZnO в качестве электрода [24]. Эта композитная структура обеспечивает выходное напряжение 1–3 мВ и ток 4 нА с плотностью мощности 20–80 мВт / см 2 . Lin et al. (2008) продемонстрировали модель наногенератора на основе сульфида кадмия (CdS), аналогичную наногенератору на основе нанопроволоки ZnO [25].Нанопроволока была выращена с использованием процессов гидротермального и физического осаждения из паровой фазы. Нанопроволоки, полученные в процессе физического осаждения из паровой фазы, по-видимому, производят большее напряжение по сравнению с нанопроводами, полученными гидротермальным методом. В 2008 году Ян и др. изготовили интегрированный сбоку PENG с использованием гибкой подложки без скользящих контактов, которые способны вырабатывать переменный ток. Изготовленный PENG создает колеблющееся выходное напряжение (AC) до ~ 50 мВ, когда одиночная нанопроволока растягивается и освобождается с деформацией 0.05–0,1%. Такой тип гибкого PENG может быть соединен последовательно внутри общей подложки для увеличения выходной мощности [26]. Боковой интегрированный PENG эффективен по сравнению с вертикально интегрированным PENG [26]. Кроме того, выходное напряжение в 15–100 раз выше, чем у генераторов постоянного тока [23] и микроволоконных наногенераторов [24]. Позднее в 2010 году, используя ту же гибкую концепцию PENG, Zhu et al. достигали напряжения холостого хода до 2,03 В, силы тока 107 нА и удельной мощности ~ 11 мВт / см. 3 . Энергия, генерируемая этим PENG, накапливается в конденсаторах и используется для освещения коммерческого светодиода (LED).Кроме того, максимальная плотность выходной мощности ~ 0,44 мВт / см 2 и объемная плотность 1,1 Вт / см 3 могут быть достигнуты путем оптимизации плотности нанопроволок и объединения 20 слоев нанопроволок. [27]. Lin et al. (2008) использовали свет для настройки выходных характеристик наногенераторов на основе CdS-нанопроволок [28]. Свет уменьшает высоту барьера Шоттки на нанопроволоке, что дает положительное выходное напряжение. В 2010 году Xu et al. успешно интегрировали 700 рядов нанопроволок ZnO для получения пикового напряжения 1.26 В и максимальный ток 28,8 нА при низкой деформации 0,19% [29]. На основе теоретических расчетов установлено, что в режиме упругой линейной механики пьезоэлектрический потенциал нанопроволоки пропорционален степени ее деформации [15]. Итак, в наногенераторе, интегрированном с вертикальной нанопроволокой, нанопроволока соединена параллельно между двумя электродами; по мере увеличения внешней деформации степень их деформации увеличивается, соответственно, с увеличением выходного напряжения. Величина выходного напряжения также зависит от скорости приложения внешней деформации [29].Этот выходной сигнал большой мощности может использоваться в качестве источника питания для нейропротезных устройств; однако для эффективной интеграции необходимы дальнейшие исследования. Хуанг и др. (2010) успешно синтезировали первый наногенератор на основе InN (нитрида индия). Нанопроволока InN выращивается методом пар-жидкость-твердое тело (V-L-S) с использованием наночастицы Au в качестве катализатора [30]. Нанопроволока на основе InN создает как положительный, так и отрицательный пьезопотенциал, причем максимум достигает 1 В, что является самым высоким показателем среди всех других нанопроволок.Наногенераторы на основе нановолокон цирконата титаната свинца PZT были продемонстрированы Chen et al. (2010) [31]. Нановолокна PZT были изготовлены методом электропрядения, а в качестве электрода использовалась тонкая платиновая проволока, собранная на кремниевой подложке. Пиковое напряжение и выходная мощность составляли 1,63 В и 0,03 мкВт; выходное напряжение зависит от давления, приложенного к устройству наногенератора. Cha et al. (2011) увеличили пьезоэлектрический потенциал, используя массивы нанопор из поливинилиденфторида (PVDF) и воздействуя звуком [32]; когда входная звуковая мощность 100 дБ при 100 Гц, PENG генерирует выходной сигнал 2.6 В / 0,6 мкА, что в 5,2 раза (пьезоэлектрический потенциал) / в 6 раз (пьезоэлектрический ток) выше, чем у PENG, в котором используется объемная пленка PVDF, при той же входной звуковой мощности. В пьезоэлектрических материалах из-за поверхностной десорбции и собственных дефектов образуются свободные носители заряда [22,33]. Лу и др. (2012) обнаружили, что эти свободные носители заряда влияют на пьезоэлектрический потенциал, известный как эффект экранирования [34]. Для исследования использовались наностержни ZnO, которые освещались УФ-светом; концентрация носителей увеличивается до 5.6 × 10 18 см −3 при освещении 1,2 мВт / см 2 . По мере увеличения интенсивности УФ-излучения концентрация носителей также увеличивается, что делает вольт-амперные характеристики нечувствительными. Концентрация носителей может быть уменьшена путем улучшения внутренних свойств с помощью пассивации поверхности, термического отжига и кислородной плазмы [35,36,37,38]. Pham et al. (2012) применили простой термический отжиг к чистым наностержням ZnO в присутствии УФ-излучения и обнаружили, что выходной пьезоэлектрический потенциал был в 25 раз выше [39].Позже в 2012 году Zhu et al. продемонстрировали вертикально интегрированные пьезоэлектрические нанопроволоки ZnO с регулируемым положением, которые преобразуют биомеханическую энергию в электрическую с высоким уровнем напряжения холостого хода 58 В, током короткого замыкания 134 мкА и максимальной плотностью мощности 0,78 Вт / см. 3 [ 18]. Hu et al. (2012) улучшили характеристики наногенераторов, используя такие методы предварительной обработки, как кислородная плазма, воздух для отжига и пассивация поверхности с помощью определенных полимеров на выращенных пленках нанопроволоки ZnO.Выходное напряжение наногенератора достигало 20 В, а выходной ток превышал 6 мкА [35]. Этот наногенератор успешно запитал автоматические часы более 1 мин (на 1000 циклов деформации наногенератора). Чжоу и др. (2012) впервые продемонстрировали потенциал сбора энергии и пьезотронный эффект в вертикально ориентированных массивах нанопроволок CdSe [40]. Платина используется в качестве электрода, когда к нанопроволоке прикладывается разумная сила или напряжение с максимальным выходным напряжением 137 мВ.Барьер Шоттки между платиной и CdSe снижает ток. Han et al. (2013) представили инновационную трехмерную r-образную гибридную конструкцию NG на основе пьезоэлектрического и трибоэлектрического сбора энергии [41]. Выходные характеристики устройства были улучшены за счет изготовления устройств микро- или наноразмеров на поверхности из полидиметилсилоксана (PDMS), которая была помещена под алюминиевый электрод на PVDF. Электрод из алюминия был общим как для пьезоэлектрического, так и для трибоэлектрического компонентов.Пьезоэлектрический и трибоэлектрический генераторы показали повышенную плотность мощности 10,95 мВт / см 3 и 2,04 мВт / см 3 соответственно. Гибридная r-образная конструкция показала относительно высокую надежность, так как ее характеристики не ухудшались за 6000 непрерывных циклов под действием внешней силы с частотой 10 Гц. Нанопроволоки ZnO, легированные литием, используются в крупномасштабных наногенераторах для достижения высоких характеристик [38,42]. Лу и др. (2015) [43] использовали частицы Au на поверхности ZnO для достижения выходного напряжения 2 В и плотности тока 1 мкА / см 2 .Гош и Мандал (2016) подчеркнули внутреннее пьезоэлектрическое свойство прозрачной рыбьей чешуи, которая состоит из самоорганизованных и упорядоченных коллагеновых нано-фибрилл и служит самополюсным пьезоэлектрическим активным компонентом с пьезоэлектрической прочностью -5,0 пКл / Н [44]. Надежный наногенератор изготавливается с использованием золотых электродов толщиной 90 нм с обеих сторон чешуи путем распыления с последующим ламинированием полипропиленовой пленкой. Этот тип биопьезоэлектрического наногенератора при повторяющемся сжимающем напряжении 0.17 МПа обеспечивает выходное напряжение 4 В, ток короткого замыкания 1,5 мкА и максимальную плотность выходной мощности 1,14 мкВт / см 2 . Повышенное выходное напряжение 14 В было получено путем последовательной интеграции четырех из этих биопьезоэлектрических наногенераторов. HaiBo et al. (2017) обнаружили, что полиморфные фазовые наностержни ниобата натрия-калия (NKN) имеют наиболее значительную пьезоэлектрическую постоянную деформации (175 пм / В), поскольку они имеют больше направлений для вращения диполя, чем наногенераторы с ромбоэдрическими или ромбическими наностержнями [45].Их эксперимент с использованием 0,7 г наностержней NKN из полипропилена (полиморфная фаза) показал максимальное напряжение холостого хода 35 В и ток короткого замыкания 5,0 при деформации 2,13% и средней скорости деформации 3,7% с -1. . Этот наногенератор генерирует максимальную выходную мощность 16,5 мкВт при нагрузке 10 МОм. Chen et al. (2017) предложили гибкий пьезоэлектрический наногенератор на основе вертикально ориентированного нанокомпозитного микростолбикового массива поливинилиденфторид-трифторэтилен (P (VDF-TrFE)) / титаната бария (BaTiO 3 ), который демонстрирует повышенное напряжение до 13.2 В и плотность тока 0,33 мкА / см 2 [46]. При приложении силы 3 Н с частотой 5 Гц гибкий ПЭНГ на основе композитной пленки поливинилидендифторида, залитого титанатом бария (т.е. BaTiO 3 / PVDF), показал высокое выходное напряжение 14 В и ток короткого замыкания. 0,96 мкА [47]. Ши и др. (2018) изготовили PENG с помощью электропряденых матов из нанокомпозитных волокон, состоящих из 0,15 мас.% Графеновых нанолистов и 15 мас.% Наночастиц титаната бария, которые генерируют стабильную электрическую мощность 11 В и 4.1 мкВт при частоте нагрузки 2 Гц и деформации 4 мм даже после 1800 циклов [48]. PENG также генерирует пиковое напряжение 112 В во время процесса нажатия-отпускания пальца, что позволяет питать 15 светодиодов и часы. Jenkins et al. (2018) исследовали поведение дифенилаланинового пептида с помощью анализа конечных элементов и обнаружили, что эти пептидные нанопроволоки могут генерировать значительно более высокую выходную мощность, чем нанопроволоки, состоящие из ZnO, цирконата титаната свинца и титаната бария [49]. Наногенератор, сделанный из этой нанопроволоки, достигал напряжения холостого хода до -0.6 В и ток короткого замыкания до 7 нА. Выходное напряжение остается стабильным в течение более 1000 циклов, а максимальная генерируемая мощность составила 0,1 нВт при сопротивлении нагрузки 100 МОм. В последнее время в пьезоэлектрических наногенераторах на основе PVDF производительность повышается за счет технологий изготовления, пьезоэлектрических материалов, проводящих и непроводящих наполнителей, что увеличивает структуру пьезоэлектрических кристаллов, выравнивание диполей и перенос заряда [50]. Инновационная мультиоболочка с трехмерным ядром PENG показала улучшенную производительность [51].Канг и др. использовали нанопористые слои GaN вместо нанопроволок, используя процесс электрохимического травления в своих PENG [52]. Это подавляет эффект экранирования несущей и увеличивает выходное напряжение. Канг и др. (2017) продемонстрировали перенос GaN-мембраны большой площади на гибкую подложку из ПЭТ в прозрачном гибком пьезоэлектрическом наногенераторе с использованием процесса электрохимического подъема, в результате чего выходное напряжение и ток составляли 4,2 В и 150 нА [53]. Тот же самый процесс электрохимического отрыва был использован Johar et al.для изготовления гибкого ПЭНГ путем формирования гетероперехода p-n NiO / GaN [54]. Процесс отрыва снимает остаточное напряжение в слое GaN, которое подавляет экранирование свободных носителей. Разработанный PENG способен использовать энергию воздушного потока, усилий пальцев и вибраций с частотой 20 Гц. Johar et al. (2018) изготовили пьезоэлектрический наногенератор на основе GaN (нитрида галлия), используя Ni в качестве контактного металла [55]. Выходные характеристики были улучшены за счет использования полидиметилсилоксана (PDMS) в качестве диэлектрической среды между нанопроволокой GaN и Ni электродом.Были созданы максимальное выходное напряжение и ток 15 В и 85 нА. Значительные улучшения в развитии PENG с годами показаны в.

Таблица 2. Значительные улучшения в развитии PENG.

Нанопроволока
Год Автор Материалы Выходное напряжение и ток короткого замыкания Частота / деформация Выходная мощность Плотность мощности выходной площади Плотность мощности на выходе
2006 Wang et al.[8] ZnO нанопроволоки ~ 6–9 мВ ~ 10 МГц 0,5 мкВт / нейтраль ~ 1 нВт / см 2
2007 Wang et al. [23] ZnO нанопроволоки −0,7 мВ, 0,15 нА 41 кГц ~ 0,1 пВт / нейтраль 10 мкВт / см 2 1–4 Вт / см 3
2008 Qin et al.[24] ZnO нанопроволоки 1–3 мВ, 4 нА <10 Гц 20–80 мВт / см 2
2009 Yang et al. [26] Нанопроволока ZnO / каптонная пленка ~ 50 мВ, 400–750 пА. 22 цикла в минуту
2010 Zhu et al.[27] Нанопроволока ZnO / пленка PDMS / пленка Au 2,03 В, 107 нА, 200 пА (одиночная нанопроволока) 0,33 Гц, деформация 0,1% и скорость деформации 5% с -1 . 22 мкВт / см 2 (однослойный) 0,44 мВт / см 2 (20 слоев NW) ~ 11 мВт / см 3 (однослойный) ~ 1,1 Вт / см 3 (20 слоев NW)
2010 Xu et al. [29] ZnO нанопроволоки 1.26 В, 28,8 нА 0,19% деформация 2,7 мВт / см 3
2010 Huang et al. [30] InN 1 В
2010 Chen et al. [31] Нановолокна PZT / платиновая проволока / PDMS 1,63 В 39.8 Гц 0,03 мкВт
2011 Cha et al. [32] Нанопроволока из ПВДФ 2,6 В, 0,6 мкА 0,17 мВт / см 3
2012 Zhu et al. [18] Нанопроволоки ZnO / слой ПММА / слой ITO / Al 58 В, 134 мкА 0.78 Вт / см 3
2012 Hu et al. [35] Нанопроволоки ZnO / ПММА / Cr, электроды Au 20 В, 6 мкА Деформация 0,12% при скорости деформации 3,56% с −1 . 0,2 Вт / см 3
2016 Гош и Мандал [44] Рыбья чешуя прозрачная 4 В, 1,5 мкА 0.17 МПа 1,14 мкВт / см 2
2016 Lu et al. [43] ZnO / PMMA / FTO, золотые электроды 2 В
2017 Cho et al. [42] CuO, легированный литием 2 / ZnO ~ 52.5 мкВт
2017 Haibo et al. [45] Наностержни НКН 35 В, 5 мкА Деформация 2,13% при скорости деформации 3,7% s −1 . 16,5 мкВт
2017 Chen et al. [46] P (VDF-TrFE) / BaTiO 3 13,2 В
2017 Ku et al.[56] InN 825 мкВ 5 Гц 2,9 нВт / см 2
2017 Kang et al. [53] GaN / ПЭТ 4,2 В, 150 нА Напряжение сдвига ~ 182 мН
2018 Dudem et al. [47] BaTiO 3 / PVDF, Ag / BTO 14 В, 0.96 мкА 3 Н, 5 Гц ~ 98,6 мкВт / см 2
2018 Jenkins et al. [49] Пептидная нанопроволока FF −0,6 В, 7 нА Приложенная сила 10 нН 0,1 нВт
2018 Johar et al. [54] p-n NiO / GaN / PDMS / ITO / PET 30 В, 1.43 мкА 20 Гц
2018 Johar et al. [55] GaN / Ni / PDMS 15 В, 85 нА
2018 Ли и др. [57] PZT-NH 2 наночастиц 65 В, 1,6 мкА 26 мкВт
2019 Filippin et al.[51] ZnO нанопроволоки 170 мВ
2019 Мария и др. [58] Bi 4 Ti 3 O 12 , НЧ BiTO / PDMS 12,5 В, 100 нА 562 мкВт / см 2

Очевидно, что условие деформации, выходной мощности и плотности выходной мощности не всегда упоминалось, что важно для сравнения характеристик PENG.Во всех исследованиях авторы выделили выходное напряжение, полученное для большой поверхности, что весьма впечатляет для представления выходных результатов.
3.2. Применение PENG
PENG действуют как устойчивый источник питания для различных интеллектуальных приложений, таких как нано / микросенсоры с автономным питанием, электроника с автономным питанием, носимая / гибкая электроника и биомедицинские приложения [2,13,14,20,22,59,60]. Hu et al. (2011) [61] интегрировали PENG на основе нанопроволоки ZnO на внутреннюю поверхность шины; деформация шины во время вращения дает выходную мощность 1.5 В и 25 нА с максимальной плотностью мощности 70 мкВт / см 3 . Нановолокна PZT имеют более высокую пьезоэлектрическую постоянную напряжения и диэлектрическую проницаемость, что делает их идеальными для применения в наногенераторах и нанобатареях [31]. Биосенсоры на основе нанопроволок ZnO были разработаны в 2014 году, что проложило путь для будущего развития биосенсорных устройств [62]. PENG эффективно собирают энергию движений внутренних частей тела и приводят в действие устройства для мониторинга здоровья и имплантируемые устройства, такие как кардиостимуляторы, кардиовертеры-дефибрилляторы и нейростимуляторы [63, 64, 65].Нанопроволоки ZnO, оксид индия и олова (ITO) и гибкие и прозрачные наногенераторы на основе пленки PZT были разработаны, чтобы использовать энергию от пальцевой печати [66,67,68]. Пьезоэлектрические наногенераторы, обладающие превосходной гибкостью и высоким выходным напряжением, имеют многообещающие применения в силовой электронике.
3.3. Прогноз по PENG
PENG обладают высокими выходными характеристиками по сравнению с другими пьезоэлектрическими технологиями сбора энергии. Гибкие наногенераторы на основе ZnO были способны производить выходную мощность в 11–22 раза выше, чем массивный консольный сборщик энергии на основе PZT [27,29].Многофункциональные пьезоэлектрические наногенераторы являются точным источником энергии для носимых и имплантируемых устройств. Поскольку эти наногенераторы интегрированы с электроникой, одеждой и человеческими телами, будущее развитие должно быть сосредоточено на гибкости, долговечности и стабильности. Необходимо определить органические полимеры с высокой гибкостью, чтобы заменить существующие органические полимеры. Исследования полупроводниковых нанопроволок имеют решающее значение для дальнейшего улучшения характеристик и применения PENG.Первый PENG был основан на нанопроволоке ZnO, и было несколько улучшенных моделей с нанопроволокой ZnO. Помимо этого, также были изучены различные другие одномерные наноматериалы, такие как CdS, GaN, ZnS, InN, CdSe, InAs и 2D MoS 2 , которые имеют хороший пьезоэлектрический потенциал [25,30,31,53,55,82,83]. Оптимизация конструкции, интеграция и упаковка наногенераторов для датчиков с автономным питанием — вот некоторые из будущих требований, которые необходимо решить для эффективного электромеханического преобразования энергии.

. Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *