Nanogenerátor - Nanogenerator

A Nanogenerátor je typ technologie, která převádí mechanické /Termální energie jak je produkováno fyzickými změnami v malém měřítku elektřina. Nanogenerátor má tři typické přístupy: piezoelektrický, triboelektrický, a pyroelektrický nanogenerátory. Piezoelektrické i triboelektrické nanogenerátory mohou přeměňovat mechanickou energii na elektřinu. Pyroelektrické nanogenerátory však lze použít ke sběru tepelné energie z časově závislého teplota kolísání.

Nanogenerátory jsou označovány jako pole, které využívá výtlačný proud jako hnací sílu pro účinnou přeměnu mechanické energie na elektrickou energii / signál, bez ohledu na to, zda jsou nanomateriály použity nebo ne.^[1]

Teorie nanogenerátorů z Maxwellových rovnic

Maxwellovy rovnice, které patří mezi 10 nejdůležitějších rovnic pro fyziku, mají následující základní formy:

${ displaystyle bigtriangledown cdot D = rho}$ (1.1)

${ displaystyle bigtriangledown cdot B = 0}$ (1.2)

${ displaystyle bigtriangledown krát E = - { frac { částečné B} { částečné t}}}$ (1.3)

${ displaystyle bigtriangledown krát H = J + { frac { částečné D} { částečné t}}}$ (1.4)

kde posunovací proud, ${ displaystyle částečné D / částečné t}$, byl poprvé představen Maxwellem v roce 1861, aby uspokojil rovnici kontinuity pro elektrické náboje.^[2] Vektor elektrického posunutí D darováno ${ displaystyle D = varepsilon _ {0} E + P}$, a pro izotropní dielektrické médium, ${ displaystyle P = ( varepsilon - varepsilon _ {0}) E}$, tím pádem ${ displaystyle D = varepsilon E}$ . Hustota proudu posunutí je prezentována jako

${ displaystyle J_ {D} = { frac { částečné D} { částečné t}} = varepsilon { frac { částečné E} { částečné t}}}$ (2.1)

Nedávno byly Maxwellovy rovnice rozšířeny o výpočet výstupního výkonu nanogenerátorů. Další termín P_s byl poprvé přidán do složky D Wang v roce 2017,^[3][4] kde P_s je polarizace vytvořená elektrostatickými povrchovými náboji v důsledku mechanického spouštění, odlišná od polarizace média indukované elektrickým polem P. The D lze přepsat jako ${ displaystyle D = varepsilon _ {0} E + P + P_ {s}}$, takže hustota proudu posunutí je získána pomocí

${ displaystyle J_ {D} = { frac { částečné D} { částečné t}} = varepsilon { frac { částečné E} { částečné t}} + { frac { částečné P_ {s} } { částečné t}}}$ (2.2)

Pak lze Maxwellovy rovnice rozšířit jako^[1]

${ displaystyle varepsilon bigtriangledown cdot E = rho - bigtriangledown cdot P_ {s}}$ (3.1)

${ displaystyle bigtriangledown cdot B = 0}$ (3.2)

${ displaystyle bigtriangledown krát E = - { frac { částečné B} { částečné t}}}$ (3.3)

${ displaystyle bigtriangledown times H = J + varepsilon { frac { částečné E} { částečné t}} + { frac { částečné P_ {s}} { částečné t}}}$ (3.4)

Tyto rovnice jsou základními kameny pro odvození výstupních charakteristik nanogenerátorů, ze kterých byl odvozen výstupní proud a napětí a související elektromagnetické záření nanogenerátoru.

Obecná teorie polarizace P_s

Polarizace P_s vytvořené elektrostatickými povrchovými náboji lze při definování funkce hustoty náboje vyjádřit následující rovnicí σ_s(r,t) na povrchu média tvarovou funkcí F(r,t)=0.

${ displaystyle bigtriangledown cdot P_ {s} = - sigma _ {s} (r, t) delta (f (r, t))}$ (4)

kde funkce delta δ(F(r,t)) je zaveden k omezení tvaru média. Prostřednictvím řešení skalárního elektrického potenciálu ${ displaystyle phi _ {s} (r, t)}$ z povrchových nábojů

${ displaystyle phi _ {s} (r, t) = { frac {1} {4 pi}} int { frac { sigma _ {s} (r ', t')} {| r -r '|}} ds'}$ (5)

the P_s lze získat pomocí^[1]

${ displaystyle P_ {s} = - bigtriangledown phi _ {s} (r, t) = { frac {1} {4 pi}} int sigma _ {s} (r ', t') { frac {r-r '} {| r-r' | ^ {3}}} ds '+ { frac {1} {4 pi c}} int { frac { částečné sigma _ { s} (r '', t ')} { částečné t'}} { frac {r-r '} {| r-r' | ^ {2}}} ds '}$ (6)

Toto je obecné vyjádření hustoty polarizace povrchu P_s v ekv. (3.1) a (3.4).

Současná transportní rovnice pro nanogenerátory

Posunovací proud se získá povrchovým integrálem J_D

${ displaystyle I_ {D} = int J_ {D} cdot ds = int { frac { částečné D} { částečné t}} cdot ds = { frac { částečné} { částečné t} } int bigtriangledown cdot Ddr = { frac { částečné} { částečné t}} int rho dr = { frac { částečné Q} { částečné t}}}$ (7)

kde Q je celkové množství bezplatného náboje na elektrodě. V nanogenerátorech dominuje posunovací proud vnitřnímu obvodu, zatímco proud kapacitního vedení dominuje vnějšímu obvodu.

Aktuální chování přenosu jakékoli konfigurace nanogenerátorů lze odvodit pomocí následující obecné rovnice^[1]

${ displaystyle phi _ {AB} = textový styl int limity _ {A} ^ {B} E cdot dL = { frac { částečné Q} { částečné t}} R}$ (8)
kde ${ displaystyle phi _ {AB}}$ je pokles potenciálu z elektrody A na elektrodu B (obr. 1) a integrální dL je přes cestu z bodu A do bodu B.

Aktuální transportní rovnice pro piezoelektrický nanogenerátor (obr. 2a) je

${ displaystyle RA { frac {d sigma} {dt}} + z { frac { sigma - sigma _ {p}} { varepsilon}} = 0}$ (9)

kde A je oblast elektrod, z je tloušťka piezoelektrického filmu a σ_p je hustota polarizačního náboje.

Aktuální transportní rovnice pro triboelektrický nanogenerátor v režimu separace kontaktů (obr. 2b) je

${ displaystyle AR { frac { částečné sigma (z, t)} { částečné t}} = - sigma (z, t) [d_ {1} / varepsilon _ {1} + d_ {2} / varepsilon _ {2}] - H (t) [ sigma (z, t) - sigma _ {T}] / varepsilon _ {0}}$ (10)

kde H(t) je funkce závislá na rychlosti kontaktu mezi dvěma dielektriky. Na základě transportní rovnice lze vypočítat zdvihový proud, elektrický potenciál, výstupní proud a výstupní výkon pro čtyři základní režimy TENG.

Technologické projekce z Maxwellova výtlačného proudu

První termín ${ displaystyle varepsilon { frac { částečné E} { částečné t}}}$ z posunovacího proudu navrženého Maxwellem dává vznik teorii elektromagnetických vln a elektromagnetická indukce způsobuje vznik antény, rádia, telegramů, TV, radaru, mikrovlnné trouby, bezdrátové komunikace a vesmírné technologie. Elektromagnetické sjednocení vytváří teorii světla, položilo teoretický základ pro vynález laseru a vývoj fotoniky. První komponenta poháněla světový vývoj v oblasti komunikační a laserové technologie v minulém století. Druhý termín ${ displaystyle { frac { částečné P_ {s}} { částečné t}}}$ poprvé navrhl Wang^[4] položit základ pro nanogenerátory. Přidání termínu ${ displaystyle částečné P_ {s} / částečné t}$ v posunovacím proudu a tedy v Maxwellových rovnicích rozšiřuje jejich aplikace na energii! Nanogenerátory jsou další důležité aplikace Maxwellových rovnic pro energii a senzory po teorii a technologii elektromagnetických vln.

Piezoelektrický nanogenerátor

A piezoelektrický nanogenerátor je sklizeň energie zařízení schopné přeměnit vnější kinetickou energii na energii elektrickou prostřednictvím působení nanostruktury piezoelektrický materiál. Ačkoli jeho definice může zahrnovat jakýkoli typ zařízení na získávání energie využívající nano-struktury k přeměně různých druhů energie okolí (např. solární energie a Termální energie ), obecně se používá k označení zařízení na sběr kinetické energie využívajících nanometry piezoelektrický materiál od jeho prvního uvedení v roce 2006.^[5]

I když je technologie stále v počátečních fázích vývoje, byla považována za potenciální průlom směrem k další miniaturizaci konvenčních energetických sklízečů, což může vést k snadné integraci s jinými typy energetických sklízečů a nezávislému provozu mobilních elektronických zařízení se sníženým zájmem o zdroje. energie.^{[Citace je zapotřebí ]}

Mechanismus

Tento článek nebo část mohl být zkopírován a vložen z jiného místa, možná v rozporu s Zásady autorských práv Wikipedie. Zkontrolujte prosím https://www.slideshare.net/MDNAWAZ3/nano-generators-by-tanveer-ahmed-ganganalli-seminar-report  (DupDet · CopyVios) a napravit to úpravou tohoto článku za účelem odstranění veškerého nesvobodného obsahu chráněného autorskými právy a správným přiřazením bezplatného obsahu nebo označením obsahu ke smazání. Ujistěte se, že údajný zdroj porušení autorských práv není sám o sobě a Zrcadlo Wikipedie. (Dubna 2019)

Pracovní princip nanogenerátoru bude vysvětlen pro 2 různé případy: síla vyvíjená kolmo a rovnoběžně s osou nanodráty.

Princip práce pro první případ je vysvětlen vertikálně rostoucím nanodrát vystaven bočně se pohybující špičce. Když piezoelektrický konstrukce je vystavena vnější síle pohyblivým hrotem, deformace nastává v celé konstrukci. The piezoelektrický jev vytvoří elektrické pole uvnitř nanostruktura; napnutá část s pozitivním napětím bude vykazovat pozitivní elektrický potenciál, zatímco stlačená část s negativním napětím bude vykazovat negativní elektrický potenciál. To je způsobeno relativním posunem kationty s ohledem na anionty ve své krystalické struktuře. Výsledkem je, že špička nanodráty bude mít na svém povrchu distribuci elektrického potenciálu, zatímco dno nanodráty je neutralizováno, protože je uzemněno. Maximální napětí generované v nanodrátě lze vypočítat podle následující rovnice:^[6]

${ displaystyle V _ { text {max}} = pm { frac {3} {4 ( kappa _ {0} + kappa)}} [e _ { text {33}} - 2 (1+ nu) e _ { text {15}} - 2 nu e _ { text {31}}] { frac {a ^ {3}} {l ^ {3}}} nu _ { text {max} }}$

, kde κ₀ je permitivita ve vakuu, κ je dielektrická konstanta, např₃₃, e₁₅ a e₃₁ jsou piezoelektrické koeficienty, ν je Poissonův poměr, a je poloměr nanodráty, l je délka nanodráty a ν_max je maximální průhyb špičky nanodráty.

Elektrický kontakt hraje důležitou roli při odčerpávání nábojů v povrchu hrotu. The schottky kontakt musí být vytvořen mezi protielektrodou a špičkou nanodráty, protože ohmický kontakt bude neutralizovat elektrické pole generované na špičce. S cílem vytvořit efektivní schottky kontakt, elektronová afinita (E_A) musí být menší než pracovní funkce (φ) kovu tvořícího protielektrodu. Pro případ ZnO nanodrát s elektronová afinita 4,5 eV, Pt (φ = 6,1 eV) je vhodný kov pro konstrukci schottky kontakt. Vytvořením schottky kontakt, elektrony projdou k protielektrodě z povrchu špičky, když je protielektroda v kontaktu s oblastmi záporného potenciálu, zatímco při kontaktu s oblastmi kladného potenciálu nebude generován žádný proud případ polovodivé typu n nanostruktura (polovodičový typ p struktura bude vykazovat obrácený jev, protože otvor je v tomto případě mobilní). Vznik schottky kontakt rovněž přispívá k následnému generování výstupního signálu stejnosměrného proudu.

Pro druhý případ byl model s vertikálně pěstovaným nanodrátem naskládaným mezi ohmický kontakt na dně a schottky kontakt na jeho vrcholu se uvažuje. Když je síla aplikována směrem ke špičce nanodráty, vytvoří se v nanodráze jednoosý tlak. V důsledku piezoelektrický jev, špička nanodrát bude mít zápor piezoelektrický potenciál, zvyšování Fermiho úroveň na špičce. Vzhledem k tomu, že elektrony budou následně proudit od špičky ke dnu vnějším obvodem, bude na špičce generován kladný elektrický potenciál. The schottky kontakt zabarikáduje elektrony přenášené rozhraním, čímž udržuje potenciál na špičce. Jakmile je síla odstraněna, piezoelektrický jev zmenší a elektrony budou proudit zpět nahoru, aby neutralizovaly pozitivní potenciál na špičce. Druhý případ vygeneruje výstupní signál střídavého proudu.

Geometrická konfigurace

V závislosti na konfiguraci piezoelektrický nanostruktura většinu nanogenerátoru lze rozdělit do 3 typů: VING, LING a „NEG“. Stále existuje konfigurace, která nespadá do výše uvedených kategorií, jak je uvedeno v jiném typu.

Vertikální nanodrát integrovaný nanogenerátor (VING).

VING je trojrozměrná konfigurace skládající se z hromady 3 vrstev obecně, které jsou základní elektrodou, vertikálně narostlou piezoelektrický nanostruktura a protielektroda. The piezoelektrický nanostruktura se obvykle pěstuje ze základní elektrody různými syntetizačními technikami, které se poté integrují s protielektrodou v úplném nebo částečném mechanickém kontaktu s jejím hrotem.

Po profesorovi Zhong Lin Wangovi z Gruzínský technologický institut představil základní konfiguraci VING v roce 2006, kdy pomocí špičky mikroskopu pro atomovou sílu (AFM) vyvolal deformaci jedné vertikální ZnO nanodrát, první vývoj VING následuje v roce 2007.^[7] První VING využívá protielektrodu s periodickou povrchovou mřížkou připomínající pole hrotu AFM jako pohybující se elektrodu. Protože protielektroda není plně v kontaktu s hroty piezoelektrický nanodrát, jeho pohyb v rovině nebo mimo rovinu, ke kterému došlo vnějšími vibracemi, vyvolává deformaci piezoelektrický nanostruktura, což vede ke generování distribuce elektrického potenciálu uvnitř každého jedince nanodrát. Protielektroda je potažena kovem tvořícím schottky kontakt špičkou nanodrát, kde pouze komprimovaná část souboru piezoelektrický nanodrát by umožnilo akumulovaným elektronům projít bariérou mezi jejím hrotem a protielektrodou, v případě typu n nanodrát. Charakteristika zapnutí a vypnutí této konfigurace ukazuje jeho schopnost generovat stejnosměrný proud bez jakéhokoli požadavku na externí usměrňovač.

U VING s částečným kontaktem hraje důležitou roli geometrie protielektrody. Plochá protielektroda by neindukovala dostatečnou deformaci piezoelektrický nanostruktury, zvláště když se protielektroda pohybuje v režimu roviny. Po základní geometrii připomínající pole AFM tipy, pro snadný vývoj protielektrody bylo dodrženo několik dalších přístupů. Skupina profesora Zhong Lin Wanga vytvořila protielektrodu složenou z nanorodů ZnO s využitím podobné techniky použité pro syntézu ZnO nanodrát pole. Skupina profesora Sang-Woo Kim Univerzita Sungkyunkwan (SKKU) a skupina Dr. Jae-Young Choi Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) v Jižní Koreji zavedením průhledné protielektrody ve tvaru misky kombinací eloxovaný hliník a galvanické pokovování technologie.^[8] Vyvinuli také další typ protielektrody pomocí síťové jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWNT ) na pružném podkladu, který je nejen účinný pro přeměnu energie, ale také transparentní.^[9]

Byl navržen i jiný typ VING. I když sdílí identickou geometrickou konfiguraci s výše uvedeným, takový VING má plný mechanický kontakt mezi hroty nanodráty a protielektroda.^[10] Tato konfigurace je účinná pro aplikace, kde je síla vyvíjena ve svislém směru (směrem k ose c piezoelektrický nanodrát ) a na rozdíl od VING s částečným kontaktem generuje střídavý proud (AC).

Laterální nanodrát integrovaný nanogenerátor (LING).

LING je 2-rozměrná konfigurace skládající se ze tří částí: základní elektroda, laterálně narostlá piezoelektrický nanostruktura a kovová elektroda pro schottkyho kontakt. Ve většině případů je tloušťka podkladového filmu mnohem silnější než průměr fólie piezoelektrický nanostruktura, takže jednotlivec nanostruktura je vystaven čistému tahovému přetvoření.

LING je rozšíření jednožilového generátoru (SWG), kde je bočně zarovnán nanodrát je integrován na pružném podkladu. SWG je spíše vědecká konfigurace používaná k ověřování schopnosti výroby elektrické energie a piezoelektrický materiálu a je široce přijímán v rané fázi vývoje.

Jako u VING s plně mechanickým kontaktem generuje LING střídavý elektrický signál. Výstupní napětí lze zesílit konstrukcí řady LING zapojených do série na jediném substrátu, což vede ke konstruktivnímu přidání výstupního napětí. Taková konfigurace může vést k praktickému použití LING pro zachycování energie ve velkém měřítku, například větru nebo oceánských vln.

Nanokompozitní elektrické generátory (NEG).

„NEG“ je trojrozměrná konfigurace skládající se ze tří hlavních částí: elektrody s kovovou deskou, vertikálně narostlé piezoelektrický nanostruktura a polymerní matrici, která se vyplňuje mezi piezoelektrický nanostruktura.

NEG představili Momeni et al.^[11] Ukázalo se, že NEG má vyšší účinnost ve srovnání s původní konfigurací nanogenerátoru, kterou bude ZnO nanodrát ohnut špičkou AFM. Rovněž se ukazuje, že poskytuje zdroj energie s vyšší udržitelností.

Jiný typ. Tkaninovou geometrickou konfiguraci navrhl profesor Zhong Lin Wang v roce 2008. The piezoelektrický nanodrát se pěstuje svisle na dvou mikrovláknech v radiálním směru a jsou spleteny, aby vytvořily nanogenerátor.^[12] Jedno z mikrovláken je potaženo kovem pro vytvoření schottkyho kontaktu, který slouží jako protielektroda VING. Jak je pohyblivé mikrovlákno napnuto, deformace nanostruktura dochází na stacionárním mikrovláknu, což vede ke generování napětí. Jeho pracovní princip je totožný s VINGy s částečným mechanickým kontaktem, čímž generuje stejnosměrný elektrický signál.

Materiály

Mezi různými piezoelektrický materiály studované pro nanogenerátor, mnoho výzkumů bylo zaměřeno na materiály s struktura wurtzitu jako ZnO, CdS^[13] a GaN.^[14] Největší výhoda tohoto materiálu vyplývá z jednoduché a nákladově efektivní techniky výroby, hydrotermální syntéza. Vzhledem k tomu, že hydrotermální syntéza může být prováděna v prostředí s nízkou teplotou pod 100 ° C kromě vertikálního a krystalického růstu, mohou být tyto materiály integrovány do různých substrátů se sníženým zájmem o jejich fyzikální vlastnosti, jako je teplota tání.

Snahy o posílení EU piezoelektřina jednotlivce nanodrát také vedlo k vývoji dalších piezoelektrický materiály založené na Struktura wurtzitu. Profesor Zhong Lin Wang z Gruzínského technologického institutu představil ZnO p-typu nanodrát.^[15] Na rozdíl od polovodivé typu n nanostruktura, mobilní částice v typu p je díra, takže chování schottky je obráceno od chování typu n; elektrický signál je generován z části nanostruktura kde se hromadí otvory. Je experimentálně prokázáno, že pn typu ZnO nanodrát může generovat výstupní signál téměř 10krát větší než u n-typu ZnO nanodrát.

Z myšlenky, že materiál s perovskitová struktura je známo, že je účinnější piezoelektrický charakteristika ve srovnání s tím s struktura wurtzitu, Titaničnan barnatý (BaTiO₃) nanodrát byl také studován profesorem Min-Feng Yu z University of Illinois v Urbana Champaign.^[16] Zjistí se, že výstupní signál je více než 16krát podobný ZnO nanodrát.

Profesor Liwei Lin z University of California, Berkeley to navrhl PVDF lze také použít k vytvoření nanogenerátoru.^[17] Jako polymer používá PVDF pro svou výrobu elektrostatické zvlákňování v blízkém poli, což je ve srovnání s jinými materiály spíše odlišná technika. Nanovlákno lze přímo zapsat na substrát, který řídí proces, a očekává se, že tato technika bude použita při formování samohybné textilie založené na nanovlákno. Vědci ze SUTD představili úspěšnou syntézu ultra dlouhého niobátu draselného (KNbO₃) nanovlákna používající elektrostatické zvlákňování na dálku pomocí sol-gelu^[18] a využil je k vývoji flexibilního nanogenerátoru s vysokým výstupním napětím.^[19]

Vzhledem k tomu, že piezoelektrická konstanta hraje rozhodující roli v celkovém výkonu piezoelektrického nanogenerátoru, je dalším výzkumným směrem ke zlepšení účinnosti zařízení najít nový materiál s velkou piezoelektrickou odezvou. Olovo hořečnatý niobát-olovičitan titaničitý (PMN-PT) je piezoelektrický materiál nové generace s velmi vysokou piezoelektrickou konstantou, když je dosaženo ideálního složení a orientace. V roce 2012 byly nanodráty PMN-PT s velmi vysokou piezoelektrickou konstantou vyrobeny pomocí hydro-termálního přístupu^[20] a poté sestaveny do zařízení na získávání energie.^[21] Rekordně vysoká piezoelektrická konstanta byla dále vylepšena výrobou monokrystalického PMN-PT nanobeltu,^[22] který byl poté použit jako základní stavební kámen pro piezoelektrický nanogenerátor.

Porovnání vykazovaných materiálů do roku 2010 je uvedeno v následující tabulce.

Materiál	Typ	Geometrie	Výstupní napětí	Výstupní výkon	Syntéza	Prozkoumány na
ZnO (typ n)	Wurtzite	D: ~ 100 nm, L: 200 ~ 500 nm	PROTIP= ~ 9 mV @ R = 500 MΩ	~ 0,5 pW za cyklus (odhad)	CVD, hydrotermální proces	Georgia Tech.
ZnO (typ p)	Wurtzite	D: ~ 50 nm, L: ~ 600 nm	PROTIP= 50 ~ 90 mV @ R = 500 MΩ	5 ~ 16,2 pW na cyklus (vypočteno)	CVD	Georgia Tech.
ZnO-ZnS	Wurtzite (heterostruktura)	Není uvedeno	PROTIP= ~ 6 mV @ R = 500 MΩ	~ 0,1 pW na cyklus (počítáno)	Tepelné odpařování a leptání	Georgia Tech.
GaN	Wurtzite	D: 25 ~ 70 nm, L: 10 ~ 20 μm	PROTIprům= ~ 20 mV, Vmax= ~ 0,35 V @ R = 500 MΩ	~ 0,8 pW na cyklus (průměr, počítáno)	CVD	Georgia Tech.[14]
CdS	Wurtzite	D: ~ 100 nm, L: 1 μm	PROTIP= ~ 3 mV	Není uvedeno	PVD, hydrotermální proces	Georgia Tech.[13]
BaTiO3	Perovskit	D: ~ 280 nm, L: ~ 15 μm	PROTIP= ~ 25 mV @ R = 100 MΩ	~ 0,3 aJ za cyklus (uvedeno)	Vysokoteplotní chemická reakce	UIUC[16]
PVDF	Polymer	D: 0,5 ~ 6,5 μm, L: 0,1 ~ 0,6 mm	PROTIP= 5 ~ 30 mV	2,5 pW ~ 90 pW na cyklus (počítáno)	Elektrické točení	UC Berkeley[17]
KNbO3	Perovskit	D: ~ 100 nm; L: několik cm	Vp = ~ 16 V @ R = 100 MΩ		Elektrické točení	SUTD / MIT[19]

Aplikace

Nanogenerátor se očekává, že se bude používat pro různé aplikace, kde existuje periodická kinetická energie, jako jsou větrné a oceánské vlny ve velkém měřítku na pohyb svalů tlukotem srdce nebo vdechování plic v malém měřítku. Další proveditelné aplikace jsou následující.

Samonapájená nano / mikro zařízení. Jednou z proveditelných aplikací nanogenerátoru je nezávislý nebo doplňkový zdroj energie pro nano / mikro zařízení, která spotřebovávají relativně nízké množství energie za podmínek, kdy je kinetická energie dodávána nepřetržitě. Jeden z příkladů představila skupina profesora Zhong Lin Wanga v roce 2010 pomocí samostatně napájeného senzoru pH nebo UV integrovaného VING s výstupním napětím 20 ~ 40 mV na senzor.

Přesto je převedená elektrická energie pro provoz nano / mikro zařízení relativně malá; proto je rozsah jeho použití stále omezen jako doplňkový zdroj energie k baterii. Průlom hledáme kombinací nanogenerátoru s dalšími typy zařízení na získávání energie, jako je např solární panel nebo sklízeč biochemické energie.^[23][24] Očekává se, že tento přístup přispěje k vývoji zdroje energie vhodného pro aplikaci, kde je zásadní nezávislý provoz, jako je Smartdust.

Inteligentní nositelné systémy. Oblek integrovaný nebo vyrobený z textilu s piezoelektrický vlákno je jednou z proveditelných aplikací nanogenerátoru. Kinetická energie z lidského těla se převádí na elektrickou energii prostřednictvím piezoelektrický vlákna a lze jej případně použít k napájení přenosných elektronických zařízení, jako je systém monitorování zdraví připojený k Inteligentní nositelné systémy. Nanogenerátor, jako je VING, lze také snadno integrovat do obuvi pomocí pohybu těla lidského těla.

Další podobnou aplikací je umělá kůže generující energii. Skupina profesora Zhong Lin Wanga ukázala tuto možnost generováním střídavého napětí až 100 mV z flexibilního SWG připojeného k běžícímu křečkovi.^[25]

Transparentní a flexibilní zařízení. Některé z piezoelektrický nanostruktura mohou být vytvořeny v různých druzích substrátů, jako je flexibilní a transparentní organický substrát. Výzkumné skupiny SKKU (skupina profesora Sang-Woo Kima) a SAIT (skupina Dr. Jae-Young Choi) vyvinuly transparentní a flexibilní nanogenerátor, který lze případně použít pro hmatový senzor s vlastním pohonem, a předpokládají, že vývoj bude možné rozšířit k energeticky účinným zařízením s dotykovou obrazovkou. Jejich výzkumné zaměření se rozšiřuje, aby se zvýšila transparentnost zařízení a nákladová efektivnost nahrazením indium-cín-oxidem (ITO ) elektroda s a grafen vrstva.^[26]

Implantovatelný telemetrický přijímač energie. Nanogenerátor založený na ZnO nanodrát lze aplikovat na implantabilní zařízení od ZnO je nejen biologicky kompatibilní, ale také může být syntetizován na organickém substrátu, čímž je nanogenerátor celkově biologicky kompatibilní. Implantovatelné zařízení integrované s nanogenerátorem lze ovládat přijímáním vnějších ultrazvukových vibrací mimo lidské tělo, které jsou přeměňovány na elektrickou energii piezoelektrický nanostruktura.

Triboelektrický nanogenerátor

Tento článek nebo část mohl být zkopírován a vložen z jiného místa, možná v rozporu s Zásady autorských práv Wikipedie. Zkontrolujte prosím https://www.slideshare.net/MDNAWAZ3/nano-generators-by-tanveer-ahmed-ganganalli-seminar-report  (DupDet · CopyVios) a napravit to úpravou tohoto článku za účelem odstranění veškerého nesvobodného obsahu chráněného autorskými právy a správným přiřazením bezplatného obsahu nebo označením obsahu ke smazání. Ujistěte se, že údajný zdroj porušení autorských práv není sám o sobě a Zrcadlo Wikipedie. (Dubna 2019)

Přehled

A triboelektrický nanogenerátor je sklizeň energie zařízení, které přeměňuje vnější mechanickou energii na elektřinu spojením triboelektrický jev a elektrostatická indukce. Tento nový typ nanogenerátoru byl poprvé předveden ve skupině profesora Zhong Lin Wanga na adrese Gruzínský technologický institut v roce 2012.^[27] Pokud jde o tuto jednotku na výrobu energie, ve vnitřním obvodu je potenciál vytvořen triboelektrickým efektem v důsledku přenosu náboje mezi dvěma tenkými organickými / anorganickými filmy, které vykazují opačnou tribo-polaritu; ve vnějším obvodu jsou elektrony poháněny tak, aby proudily mezi dvěma elektrodami připevněnými na zadní straně filmů, aby se vyrovnal potenciál. Vzhledem k tomu, že nejužitečnější materiály pro TENG jsou organické, nazývá se také organický nanogenerátor, který jako první využívá organické materiály ke sklizni mechanické energie.

Od první zprávy o TENG v lednu 2012 se hustota výstupního výkonu TENG zlepšila o pět řádů během 12 měsíců. Plošná hustota energie dosahuje 313 W / m², objemová hustota dosahuje 490 kW / m³a účinnost konverze ~ 60%^[28]–72%^[29] byly prokázány. Kromě bezprecedentního výstupního výkonu má tato nová energetická technologie také řadu dalších výhod, jako jsou nízké náklady na výrobu a výrobu, vynikající robustnost a spolehlivost a šetrnost k životnímu prostředí. Triboelektrický nanogenerátor lze použít ke sklizni veškeré druhy mechanické energie, která je k dispozici, ale zbytečně plýtvá v našem každodenním životě, jako je lidský pohyb, chůze, vibrace, mechanické spouštění, rotující pneumatika, vítr, tekoucí voda a další.^[28]

Ještě důležitější je, Ramakrishna Podila skupina na Clemson University předvedl první skutečně bezdrátové triboelektrické nanogenerátory,^[30] kteří byli schopni bezdrátově nabíjet zařízení pro ukládání energie (např. baterie a kondenzátory) bez nutnosti jakéhokoli externího zesilovače a zesilovačů.^[31] Tyto bezdrátové generátory by mohly připravit půdu pro nové systémy, které by mohly být použity k získávání mechanické energie a bezdrátovému přenosu generované energie pro skladování.

Triboelektrický nanogenerátor má tři základní provozní režimy: režim vertikální separace kontaktů, klouzavý režim v rovině a režim s jednou elektrodou. Mají různé vlastnosti a jsou vhodné pro různé aplikace.

Základní režimy a mechanismy

Režim vertikální separace kontaktů

Pracovní mechanismus triboelektrického nanogenerátoru lze popsat jako periodickou změnu potenciál rozdíl indukovaný cyklickou separací a opětovným kontaktem protilehlých triboelektrických nábojů na vnitřních površích dvou listů. Když se na zařízení aplikuje mechanické míchání za účelem jeho ohýbání nebo lisování, vnitřní povrchy dvou listů se dostanou do těsného kontaktu a začne přenos náboje, přičemž jedna strana povrchu bude mít kladné náboje a druhá záporné náboje. To je jen triboelektrický jev. Po uvolnění deformace se dva povrchy s opačnými náboji automaticky oddělí, takže tyto protilehlé triboelektrické náboje vygenerují elektrické pole mezi nimi a tím indukují potenciální rozdíl mezi horní a dolní elektrodou. Za účelem screeningu tohoto potenciálního rozdílu budou elektrony poháněny k toku z jedné elektrody na druhou prostřednictvím vnější zátěže. Elektřina vyrobená v tomto procesu bude pokračovat, dokud se potenciály obou elektrod nevrátí zpět ještě jednou. Následně, když jsou dva listy opět přitlačeny k sobě, rozdíl potenciálu indukovaného triboelektrickým nábojem se začne snižovat na nulu, takže přenesené náboje budou proudit zpět přes externí zátěž, aby vygenerovaly další proud puls v opačném směru. Když tato periodická mechanická deformace trvá, střídavý proud (AC) signály budou generovány nepřetržitě.^[32][33]

Pokud jde o dvojici materiálů, které přicházejí do styku a generují triboelektrické náboje, alespoň jeden z nich musí být izolátor, takže triboelektrické náboje nemohou být odváděny pryč, ale zůstanou na vnitřním povrchu plechu. Potom mohou tyto nepohyblivé triboelektrické náboje vyvolat tok střídavé elektřiny ve vnější zátěži při periodické změně vzdálenosti.

Režim bočního posuvu

Existují dva základní třecí procesy: normální kontakt a boční klouzání. Předvedli jsme zde TENG, který je navržen na základě klouzání v rovině mezi dvěma povrchy v bočním směru.^[34] S intenzivní triboelektrifikací usnadněnou kluzným třením vede periodická změna v kontaktní ploše mezi dvěma povrchy k bočnímu oddělení nábojových center, což vytváří pokles napětí pro řízení toku elektronů ve vnější zátěži. Na obrázku je schematicky znázorněn posuvně indukovaný mechanismus výroby elektřiny. V původní poloze se dva polymerní povrchy plně překrývají a jsou v těsném kontaktu. Kvůli velkému rozdílu ve schopnosti přitahovat elektrony zanechá triboelektrifikace jeden povrch s čistými kladnými náboji a druhý se zápornými náboji se stejnou hustotou. Vzhledem k tomu, že tribo-náboje na izolátorech se budou distribuovat pouze v povrchové vrstvě a nebudou unikat po delší dobu, je oddělení mezi kladně nabitým povrchem a negativně nabitým povrchem v této překrývající se poloze zanedbatelné, a proto bude malý pokles elektrického potenciálu přes dvě elektrody. Jakmile začne vrchní deska s kladně nabitým povrchem vyklouzávat ven, iniciuje se oddělování náboje v rovině v důsledku zmenšení kontaktní kontaktní plochy. Oddělené náboje vytvoří elektrické pole směřující zprava doleva téměř rovnoběžně s deskami, což vyvolá vyšší potenciál na horní elektrodě. Tento rozdíl potenciálů bude pohánět tok proudu z horní elektrody do spodní elektrody, aby se vytvořil pokles elektrického potenciálu, který zruší potenciál indukovaný tribo-nábojem. Protože svislá vzdálenost mezi vrstvou elektrod a tribo nabitým polymerním povrchem je zanedbatelná ve srovnání s boční separační vzdáleností náboje, množství přenesených nábojů na elektrodách se přibližně rovná množství oddělených nábojů při jakémkoli posuvném posunu. Tok proudu bude tedy pokračovat s pokračováním probíhajícího klouzavého procesu, který udržuje zvyšování oddělených nábojů, dokud horní deska zcela nevyklouzne ze spodní desky a tribo nabité povrchy nebudou zcela odděleny. Měřený proud by měl být určen rychlostí, jakou se obě desky posouvají od sebe. Následně, když je horní deska otočena tak, aby sklouzla dozadu, se oddělené nálože začnou znovu dostávat do kontaktu, ale žádné zničení kvůli izolační povaze polymerních materiálů. The redundant transferred charges on the electrodes will flow back through the external load with the increase of the contact area, in order to keep the electrostatic equilibrium. This will contribute to a current flow from the bottom electrode to the top electrode, along with the second half cycle of sliding. Once the two plates reach the overlapping position, the charged surfaces get into fully contact again. There will be no transferred charges left on the electrode, and the device returns to the first state. In this entire cycle, the processes of sliding outwards and inwards are symmetric, so a pair of symmetric alternating current peaks should be expected.

The mechanism of in-plane charge separation can work in either one directional sliding between two plates^[35] or in rotation mode.^[36] In the sliding mode, introducing linear grating or circular segmentation on the sliding surfaces is an extremely efficient means for energy harvesting. With such structures, two patterned triboelectric surfaces can get to fully mismatching position through a displacement of only a grating unit length rather than the entire length of the TENG so that it dramatically increase the transport efficiency of the induced charges.

Single-Electrode Mode

A single-electrode-based triboelectric nanogenerator is introduced as a more practical and feasible design for some applications such as fingertip-driven triboelectric nanoagenerator.^[37][38] The working principle of the single-electrode TENG is schematically shown in the figure by the coupling of contact electrification and electrostatic induction. In the original position, the surfaces of skin and PDMS fully contact with each other, resulting in charge transfer between them. According to the triboelectric series, electrons were injected from the skin to the PDMS since the PDMS is more triboelectrically negative than skin, which is the contact electrification process. The produced triboelectric charges with opposite polarities are fully balanced/screened, leading to no electron flow in the external circuit. Once a relative separation between PDMS and skin occurs, these triboelectric charges cannot be compensated. The negative charges on the surface of the PDMS can induce positive charges on the ITO electrode, driving free electrons to flow from the ITO electrode to ground. This electrostatic induction process can give an output voltage/current signal if the distance separating between the touching skin and the bottom PDMS is appreciably comparable to the size of the PDMS film. When negative triboelectric charges on the PDMS are fully screened from the induced positive charges on the ITO electrode by increasing the separation distance between the PDMS and skin, no output signals can be observed, as illustrated. Moreover, when the skin was reverted to approach the PDMS, the induced positive charges on the ITO electrode decrease and the electrons will flow from ground to the ITO electrode until the skin and PDMS fully contact with each other again, resulting in a reversed output voltage/current signal. This is a full cycle of electricity generation process for the TENG in contact-separation mode.

Aplikace

TENG is a physical process of converting mechanical agitation to an electric signal through the triboelectrification (in inner circuit) and electrostatic induction processes (in outer circuit). This basic process has been demonstrated for two major applications. The first application is energy harvesting with a particular advantage of harvesting mechanical energy. The other application is to serve as a self-powered active sensor, because it does not need an external power source to drive.

Harvesting vibration energy

Vibrations are a result of the most popular phenomena in society, from walking, voices, engine vibration, automobile, train, aircraft, wind and many more. It exists almost everywhere and at all the time. Harvesting vibration energy is of great value especially for powering mobile electronics, particularly in combination to complementary balanced energy harvesting techniques. Various technologies based on the fundamental principles of triboelectric nanogenerators have been demonstrated for harvesting vibration energy. This application of triboelectric nanogenerator has been demonstrated in the following aspects: 1. Cantilever-based technique is a classical approach for harvesting mechanical energy, especially for MEMS. By designing the contact surface of a cantilever with the top and bottom surfaces during vibration, TENG has been demonstrated for harvesting ambient vibration energy based on the contact-separation mode.^[39] 2. To harvest the energy from a backpack, we demonstrated a rationally designed TENG with integrated rhombic gridding, which greatly improved the total current output owing to the structurally multiplied unit cells connected in parallel.^[40] 3. With the use of 4 supporting springs, a harmonic resonator-based TENG has been fabricated based on the resonance induced contact-separation between the two triboelectric materials, which has been used to harvest vibration energy from an automobile engin, a sofa and a desk.^[41] 4. Recently, a three-dimensional triboelectric nanogenerator (3D-TENG) has been designed based on a hybridization mode of conjunction the vertical contact-separation mode and the in-plane sliding mode.36 The innovative design facilitates harvesting random vibration energy in multiple directions over a wide bandwidth. The 3-D TENG is designed for harvesting ambient vibration energy, especially at low frequencies, under a range of conditions in daily life, thus, opening the applications of TENG in environmental/infrastructure monitoring, charging portable electronics and internet of things.

Harvesting energy from human body motion

Since there is abundant mechanical energy generated on human bodies in people's everyday life, we can make use of the triboelectric nanogenerator to convert this amount of mechanical energy into electricity, for charging portable electronics and biomedical applications.^[42] This will help to greatly improve the convenience of people's life and expand the application of the personal electronics. A packaged power-generating insole with built-in flexible multi-layered triboelectric nanogenerators has been demonstrated, which enable harvesting mechanical pressure during normal walking. The TENG used here relies on the contact-separation mode and is effective in responding to the periodic compression of the insole. Using the insole as a direct power source, we develop a fully packaged self-lighting shoe that has broad applications for display and entertainment purposes. A TENG can be attached to the inner layer of a shirt for harvesting energy from body motion. Under the generally walking, the maximum output of voltage and current density are up to 17 V and 0.02 μA/cm², resp. The TENG with a single layer size of 2 cm×7 cm×0.08 cm sticking on the clothes was demonstrated as a sustainable power source that not only can directly light up 30 light-emitting diodes (LEDs), but also can charge a lithium ion battery by persistently clapping clothes.

Self-powered active strain/force sensors

A triboelectric nanogenerator automatically generates an output voltage and current once it is mechanically triggered. The magnitude or the output signal signifies the impact of the mechanical deformation and its time-dependent behavior. This is the basic principle of the TENG can be applied as a self-powered pressure sensor. The voltage-output signal can reflect the applied pressure induced by a droplet of water. All types of TENGs have a high sensitivity and fast response to the external force and show as a sharp peak signal. Furthermore, the response to the impact of a piece of feather (20 mg, ~0.4 Pa in contact pressure) can be detected. The sensor signal can delicately show these details of the entire process. The existing results show that our sensor can be applied for measuring the subtle pressure in real life.^[43]

The active pressure sensor has also been developed in the form of a composite. The term of Triboelectric Composite refers to a sponge-shape polymer with embedded wire. Applying pressure and impact on the composite in any direction causes charge separation between the soft polymer and the active wire because of the presence of composite air gap. Passive wire as the second electrode may be either embedded inside the sponge without any air gap or placed out of the composite allowing the sensor to work in single electrode mode.^[44]

In a case that we make a matric array of the triboelectric nanogenerators, a large-area, and self-powered pressure map applied on a surface can be realized.^[45] The response of the TENG array with local pressure was measured through a multi-channel measurement system. There are two types of output signals from the TENG: open circuit voltage and short circuit current. The Open circuit voltage is only dictated by the final configuration of the TENG after applying a mechanical triggering, so that it is a measure of the magnitude of the deformation, which is attributed to the static information to be provided by TENG. The output current depends on the rate at which the induced charge would flow, so that the current signal is more sensitive to the dynamic process of how the mechanical triggering is applied.

The active pressure sensor and the integrated sensor array based on the triboelectric effect have several advantages over conventional passive pressure sensors. First, the active sensor is capable of both static pressure sensing using the open-circuit voltage and dynamic pressure sensing using the short-circuit current, while conventional sensors are usually incapable of dynamic sensing to provide the loading rate information. Second, the prompt response of both static and dynamic sensing enables the revealing of details about the loading pressure. Third, the detection limit of the TENG for dynamic sensing is as low as 2.1 Pa, owing to the high output of the TENG. Fourth, the active sensor array presented in this work has no power consumption and could even be combined with its energy harvesting functionality for self-powered pressure mapping. Future works in this field involve the miniaturization of the pixel size to achieve higher spatial resolution, and the integration of the TEAS matrix onto fully flexible substrate for shape-adaptive pressure imaging.

Self-powered motion sensors

The term of self-powered sensors may reflect far beyond simple voltage-output signal. It can refer to a system which powers all the electronics responsible for measuring and demonstrating the detectable movement. For example, the self-powered triboelectric encoder, integrated in smart belt-pulley system, converts friction into useful electrical energy by storing the harvested energy in a capacitor and fully powering the circuit, including a microcontroller and an LCD.^[46]

Self-powered active chemical sensors

As for triboelectric nanogenerators, maximizing the charge generation on opposite sides can be achieved by selecting the materials with the largest difference in the ability to attract electrons and changing the surface morphology. In such a case, the output of the TENG depends on the type and concentration of molecules adsorbed on the surface of the triboelectric materials, which can be used for fabricating chemical and biochemical sensors. As an example, the performance of the TENG depends on the assembly of Au nanoparticles (NPs) onto the metal plate. These assembled Au NPs not only act as steady gaps between the two plates at strain free condition, but also enable the function of enlarging the contact area of the two plates, which will increase the electrical output of the TENG. Through further modification of 3-mercaptopropionic acid (3-MPA) molecules on the assembled Au NPs, the high-output nanogenerator can become a highly sensitive and selective nanosensor toward Hg²⁺ ions detection because of the different triboelectric polarity of Au NPs and Hg²⁺ ionty. With its high sensitivity, selectivity and simplicity, the TENG holds great potential for the determination of Hg²⁺ ions in environmental samples. The TENG is a future sensing system for unreachable and access-denied extreme environments. As different ions, molecules, and materials have their unique triboelectric polarities, we expect that the TENG can become either an electrical turn-on or turn-off sensor when the analytes are selectively binding to the modified electrode surface. We believe this work will serve as the stepping stone for related TENG studies and inspire the development of TENG toward other metal ions and biomolecules such as DNA and proteins in the near future.^[47]

Choice of materials and surface structures

Almost all materials known exhibit the triboelectrification effect, from metal, to polymer, to silk and to wood, almost everything. All of these materials can be candidates for fabricating TENGs, so that the materials choices for TENG are huge. However, the ability of a material for gaining/losing electron depends on its polarity. John Carl Wilcke published the first triboelectric series in a 1757 on static charges. A material towards the bottom of the series, when touched to a material near the top of the series, will attain a more negative charge. The further away two materials are from each other on the series, the greater the charge transferred.Beside the choice of the materials in the triboelectric series, the morphologies of the surfaces can be modified by physical techniques with the creation of pyramids-, square- or hemisphere-based micro- or nano-patterns, which are effective for enhancing the contact area and possibly the triboelectrification. However, the created bumpy structure on the surface may increase the friction force, which may possibly reduce the energy conversion efficiency of the TENG. Therefore, an optimization has to be designed for maximizing the conversion efficiency.

The surfaces of the materials can be functionalized chemically using various molecules, nanotubes, nanowires or nanoparticles, in order to enhance the triboelectrification effect. Surface functionalization can largely change the surface potential. The introduction of nanostructures on the surfaces can change the local contact characteristics, which may improve the triboelectrification. This will involve a large amount of studies for testing a range of materials and a range of available nanostructures.

Besides these pure materials, the contact materials can be made of composites, such embedding nanoparticles in polymer matrix. This not only changes the surface electrification, but also the permittivity of the materials so that they can be effective for electrostatic induction.Therefore, there are numerous ways for enhancing the performance of the TENG from the materials point of view. This gives an excellent opportunity for chemists and materials scientists to do extensive study both in the basic science and in practical application. In contrast, materials systems for solar cell and thermal electric, for example, are rather limited, and there are not very many choices for high performance devices.

Standards and Figures-of-Merit

A performance figure-of-merit (FOM_P) has been developed to quantitatively evaluate the performance of triboelectric nanogenerators, consisting of a structural figure-of-merit (FOM_S) related to the structure of TENG and a material figure-of-merit (FOM_M) that is the square of the surface charge density.^[48] Considering the breakdown effect, a revised figure-of-merit is also proposed.^[49] Based on the FOM, outputs of different TENGs can be compared and evaluated.

Cycles for energy output of TENG

For a continuous periodic mechanical motion (from displacement x=0 to x=x_max), the electrical output signal from the TENG is also periodically time-dependent. In such a case, the average output power P, which is related to the load resistance, is used to determine the merits of the TENG. Given a certain period of time T, the output energy per cycle E can be derived as:

${displaystyle E=PT=int VI,dt=oint V,dQ}$

This indicates that the output energy per cycle E can be calculated as the encircled area of the closed loop in the V–Q curve, and all V-Q cycles are named as ‘cycles for energy output’ (CEO).

Cycles for maximized energy output of TENG.

By periodic transformation between in load and short circuit conditions, cycles for maximum energy output can be obtained. When the load equals infinite, the V-Q becomes a trapezoid shape, the vertices of which are determined by the maximum short-circuit transferred charge Q_SC,max, and the maximum output energy can be calculated as:${displaystyle E_{ ext{m}}={frac {1}{2}}Q_{ ext{SC,max}}(V_{ ext{OC,max}}}$ ${displaystyle +V_{ ext{OC}}prime )}$

Figures-of-merit (FOM) of TENG.

For the TENG operating in CMEO with infinite load resistance, the period T includes two parts of time. One part is from the relative motion in TENG, and the other part is from the discharging process in short-circuit condition. The breakdown effect is widely existing in triboelectric nanogenerators, which will seriously affects the effective maximized energy output, E_em.^[50]Therefore, the average output power P at CMEO considering the breakdown effect should satisfy:${displaystyle P={frac {E_{ ext{em}}}{T}}approx {frac {E_{ ext{em}}}{frac {2x_{ ext{max}}}{v}}}={frac {v}{2}}{frac {E_{ ext{em}}}{x_{ ext{max}}}}}$Where v is the average velocity value of the relative motion in TENG, which depends on the input mechanical motions. V této rovnici ${displaystyle {frac {E_{ ext{em}}}{x_{ ext{max}}}}}$ is the only term that depends on the characteristics of the TENG itself.The energy-conversion efficiency of the TENG can be expressed as (at CMEO with R=∞ considering breakdown effects):

Here F stands for the average dissipative force during the operation of the TENG.^[51] This force can be frictional force, air resistance force or others. stands for the average dissipative force during the operation of the TENG. This force can be frictional force, air resistance force or others.Therefore, it can be concluded that the term ${displaystyle {frac {E_{ ext{em}}}{x_{ ext{max}}}}}$ determines both the average power and the energy-conversion efficiency from the characteristics of TENG itself. E_em contains Q_SC,max that is proportional to the triboelectrification area A. Therefore, to exclude the effect of the TENG size on the output energy, the area A should be placed in denominator of this term and then the term ${displaystyle {frac {E_{ ext{em}}}{Ax_{ ext{max}}}}}$ determines the merits of TENG. Q_SC,max, V_OC,max a V _max’ are all proportional to the surface charge density σ. Therefore, E_em is proportional to the square of the surface charge density σ. Then, a dimensionless structural FOM (FOM_S) of TENG can be defined, as the factor only depends on the structural parameters and x_max:${displaystyle FOM_{ ext{S}}=2epsilon _{0}/sigma ^{2}{frac {E_{ ext{em}}}{Ax_{ ext{max}}}}}$Here ε₀ is the permittivity of the vacuum. This structural FOM represents the merit of the TENG from the structural design. And then the performance FOM (FOM_P) of TENG can be defined as:${displaystyle FOM_{ ext{P}}=2epsilon _{0}{frac {E_{ ext{em}}}{Ax_{ ext{max}}}}}$Tady,${displaystyle FOM_{ ext{M}}=sigma ^{2}}$which is the only component related to the material properties. The FOM_P can be considered as the universal standard to evaluate varieties of TENGs, since it is directly proportional to the greatest possible average output power and related to the highest achievable energy-conversion efficiency, regardless of the mode and the size of the TENG.

Standardized Method for Output Capacity Assessment

With the breakdown effect considered, a standardized method is proposed for output capability assessment of nanogenerators, which can experimental measure the breakdown limit and E_em of nanogenerators.^[49] Former studies on the theoretical model implies that TENG can be considered as a voltage source combining with a capacitor in series, of which the capacitance varies during operation.^[52] Based on the capacitive property, the assessment method is developed by charging the target TENG (TENG1) at different displacement x to measure the breakdown condition. Another TENG (TENG2) is added as the high-voltage source to trigger the target TENG to approach the breakdown condition. Switch 1 (S1) and switch 2 (S2) are used to enable different measurement steps. Detailed process flow of this method, including an experiment part and a data analysis part. First of all, it is critical to keep the surface charge density identical as reflected by Q_SC,max, to ensure the consistency of measurement at different x. Thus in Step 1, S1 was turned on and S2 was turn off to measure Q_SC,max; if Q_SC,max is lower than the expected value, additional triboelectrification process is conducted to approach that. And then in Step 2, x was set into a certain value, and the short-circuit charge transfer Q_SC(x) at a certain x was measured by coulometer Q1. In step 3, S1 was turned off, S2 was turn on, and then the TENG2 was triggered to supply high-voltage output for TENG1. The charge flowing into TENG1 and the voltage across TENG1 was measured at the same time, in which the charge was measured by coulometer Q2, and the voltage was obtained by multiplying the resistance R with the current flowing through it as measured by current meter I, as detailed in Methods. The turning points obtained in this (Q, V) were considered as the breakdown points. And then, if xmax was achieved to finish the experimental measurement part. For the data analysis part, first, C(x) was calculated from the slope of the linear part in the measured (Q, V), by considering it as the non-breakdown part. And then, the first turning point (Q_b(x), V_b (x)) was determined at the variant R2 value by linearly fitting C(x), which was considered as the threshold breakdown point. Finally, for any x∈[0, x_max], all the (Q_b(x), V_b (x)) can be transferred into (Q_SC(x)- Q_b(x), V_b (x)) as the breakdown points plotted in the V-Q cycle to calculate E_em of TENG.

Pyroelectric nanogenerator

A pyroelectric nanogenerator is an energy harvesting device converting the external thermal energy into an electrical energy by using nano-structured pyroelectric materials. Usually, harvesting thermoelectric energy mainly relies on the Seebeck effect that utilizes a temperature difference between two ends of the device for driving the diffusion of charge carriers.^[53] However, in an environment that the temperature is spatially uniform without a gradient, such as in the outdoors, the Seebeck effect cannot be used to harvest thermal energy from a time-dependent temperature fluctuation. In this case, the pyroelectric effect has to be the choice, which is about the spontaneous polarization in certain anisotropic solids as a result of temperature fluctuation.^[54] The first pyroelectric nanogenerator was introduced by Prof. Zhong Lin Wang at Georgia Institute of Technology in 2012.^[55] By harvesting the waste heat energy, this new type of nanogenerator has the potential applications such as wireless sensors, temperature imaging, medical diagnostics, and personal electronics.

Mechanismus

The working principle of pyroelectric nanogenerator will be explained for 2 different cases: the primary pyroelectric effect and the secondary pyroelectric effect.

The working principle for the first case is explained by the primary pyroelectric effect, which describes the charge produced in a strain-free case. The primary pyroelectric effect dominates the pyroelectric response in PZT, BTO, and some other ferroelectric materials.^[56] The mechanism is based on the thermally induced random wobbling of the electric dipole around its equilibrium axis, the magnitude of which increases with increasing temperature.^[57] Due to thermal fluctuations under room temperature, the electric dipoles will randomly oscillate within a degree from their respective aligning axes. Under a fixed temperature, the total average strength of the spontaneous polarization form the electric dipoles is constant, resulting in no output of the pyroelectric nanogenerator. If we apply a change in temperature in the nanogenerator from room temperature to a higher temperature, the increase in temperature will result in that the electric dipoles oscillate within a larger degree of spread around their respective aligning axes. The total average spontaneous polarization is decreased due to the spread of the oscillation angles. The quantity of induced charges in the electrodes are thus reduced, resulting in a flow of electrons. If the nanogenerator is cooled instead of heated, the spontaneous polarization will be enhanced since the electric dipoles oscillate within a smaller degree of spread angles due to the lower thermal activity. The total magnitude of the polarization is increased and the amount of induced charges in the electrodes are increased. The electrons will then flow in an opposite direction.

For the second case, the obtained pyroelectric response is explained by the secondary pyroelectric effect, which describes the charge produced by the strain induced by thermal expansion. The secondary pyroelectric effect dominates the pyroelectric response in ZnO, CdS, and some other wurzite-type materials. The thermal deformation can induce a piezoelectric potential difference across the material, which can drive the electrons to flow in the external circuit. The output of the nanogenerator is associated with the piezoelectric coefficient and the thermal deformation of the materials. The output current I of the pyroelectric nanogenerators can be determined by the equation of I=pA(dT/dt), where p is the pyroelectric coefficient, A is the effective area of the NG, dT/dt is the rate of change in temperature.

Aplikace

Pyroelectric nanogenerator is expected^{[kým? ]} to be applied for various applications where the time-dependent temperature fluctuation exists. One of the feasible applications of the pyroelectric nanogenerator is used as an active sensor, which can work without a battery. One example has been introduced by Professor Zhong Lin Wang's group in 2012 by using a pyroelectric nanogenerator as the self-powered temperature sensor for detecting a change in temperature, where the response time and reset time of the sensor are about 0.9 and 3 s, respectively.^[58] In general, the pyroelectric nanogenerator gives a high output voltage, but the output current is small. It not only can be used as a potential power source, but also as an active sensor for measuring temperature variation.

Viz také

• Baterie (elektřina)
• Elektrický generátor
• Microelectromechanical Systems
• Mikropower
• Nanoelektromechanické systémy
• Smartdust
• Smart Wearable Systems

Reference

externí odkazy

• Nano Research Group profesora Z. L. Wanga na Georgia Institute of Technology
• Nano Electronic Science & Engineering Laboratory (NESEL) na Sungkyunkwan University (SKKU)
• Laboratoř pro mechaniku a fyziku nanoměřítků na University of Illinois, Urbana-Champaign
• LINLAB na University of California, Berkeley
• Samsung Advanced Institute of Technology