Triboelectric Nanogeneratorer: Plastperler driver bærbar teknologi

Et internationalt hold af ingeniører demonstrerede for nylig en ny type triboelektriske nanogeneratorer (TENGs), som forbedrer energiproduktionen og sænker produktionsomkostningerne. Triboelektrificering refererer til at udnytte den elektricitet, der skabes af statisk ladning. Denne rene og let tilgængelige energikilde kunne en dag åbne op for en grønnere fremtid.

Efterhånden som presset for at nå netto nul CO2-udledning på globalt plan øges, er der blevet lagt stor opmærksomhed på at skabe grønne energialternativer. Især innovationer inden for sol-, vind- og geotermisk energiproduktion får mest opmærksomhed, mens andre metoder som triboelektrificering fortsat vinder frem. Sådan kan denne teknologi en dag skabe forbedrede wearables, generere vedvarende energi og åbne døren for sikrere operationer.

Triboelectric Nanogeneratorer (TENGs)

TENGs udnytter statisk ladning, der genereres, når materialer gnides mod hinanden. Når bestemte materialoverflader kommer i kontakt med specifikke materialer, dannes en ladning. Denne statiske ladning kan forstærkes, hvilket muliggør pålidelig elektrisk generation.

Bemærkelsesværdigt er de nuværende TENGs afhængige af små plastlignende perler. Disse tæt pakkede perler har forskellige ladninger, hvor nogle er negative og andre positive. Når de gnides sammen, arbejder kombinationen af friktion, adhesion og adskillelse sammen om at skabe ekstra overfladekontakt, så disse generatorer kan maksimere output.

Problemer med TENGs i dag

Der er stadig flere ubesvarede spørgsmål og problemer, som ingeniører skal overvinde for at gøre TENGs til et pålideligt alternativ til andre grønne energiløsninger. For det første mangler der forståelse af ladningsspredning og den bedste måde at kontrollere den på. Dette vidensgab skal brobygges for at forbedre ydeevnen og pålideligheden af TANGs fremover.

Kilde – Ignaas Jimidar

Indtil for nylig blev det antaget, at triboelektrificering krævede brug af forskellige materialer i TENG. For eksempel blev polytetrafluorethylen og polydimetylsiloxan bevist som pålidelige muligheder. Imidlertid har et team af innovative forskere netop modbevist denne antagelse med introduktionen af deres seneste forbedrede TENG-design.

Studie om triboelektriske nanogeneratorer

Studiet “Granular Interfaces in TENGs: The Role of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters“¹ søger at kaste lys over kompleksiteten af ladningsspredning ved triboelektrificering og materialebrug.

Specifikt fremviser ingeniørerne en ny metode, der understøtter kontakt-elektrificeringsadfærd ved brug af næsten identiske perler. Denne tilgang reducerer produktionsomkostningerne og muliggør større tilpasning.

For at starte skabte ingeniørerne en granulær-baseret TENG, der integrerer to elektroder belagt med monolag af monodisperse polymerperler. Denne opløsningsfri opsætning er sikrere og mere effektiv end alternativer, da den eliminerer skadelige kemiske biprodukter og risici.

For at opnå den opløsningsfri generation deponerede forskerne monodisperse perler på et plan substrat. De skabte derefter friktion ved at gnide lagene sammen. Perlernes form skabte en rullende friktion, som øgede overfladespændingen.

Find de rette perler

Bemærkelsesværdigt opdagede teamet, at brug af forskellige typer perler i processen havde visse fordele. For det første blev elektrificeringen mellem visse korn forbedret på grund af eksisterende forskelle i størrelse, form, spænding, overfladeladningsdensiteter eller overfladeråhed forårsaget af fugtighed eller miljøfaktorer.

Ingeniørerne lærte fra starten, at typen af perler, der anvendes, ville påvirke de endelige resultater. Deres forskning viste, at små ændringer i materialevalg har en stor indvirkning på energigenereringskapaciteten. Som sådan undersøgte de forskellige materialer, størrelser og layout.

Materiale

Teamet testede mange forskellige typer polymermaterialer under processen. De bemærkede, at polymermaterialer giver respons på stimuli og udgør en pålidelig base. Flere varianter af perler blev arrangeret, før de besluttede sig for melamin-formaldehyd (MF) perler.

MF-perler viste tydelige fordele under triboelektrisk opladning. For det første giver de bedre ladningsfastholdelse og har lav elasticitet. Derudover har de den højeste elastiske modul eller kohæsionsenergi.

Desuden viser de altid en positiv ladning, når de kommer i kontakt med visse materialer som PMMA-perler, og viser den højeste opladning på grund af deres relativt højere Youngs modul. Youngs modul er en algoritme, der bruges til at måle stivhed eller modstand mod elastisk deformation under belastning.

Perlestørrelse

Teamet eksperimenterede også med mange forskellige perlestørrelser. Specifikt anvendte ingeniørerne monodisperse partikler med varierende diametre på 0,5, 3 og 10 µm. De bemærkede, at større perler oftere holdt en negativ ladning, mens mindre perler fastholdt positive ladninger.

Monolag

Når perlematerialet, størrelsen og afstanden var fastlagt, skabte ingeniørerne monolag af materialet. Ifølge deres rapport anvender teamet opløsningsfri partikelgnidnings-assemblageteknikker på fluorcarbon-belagt substrat.

Layout

Dette layout var første gang, forskere anvendte diskrete partikler i en tæt-pakket monolagskonfiguration som en TENG-elektrode. Denne tilgang giver den højeste pakkedensitet i en hexagonal tæt-pakket (HCP) konfiguration og tilbyder mere overfladekontakt, mens den stadig reducerer overfladearealet, hvilket muliggør mere ladningsudveksling mellem dem.

Hvordan triboelektriske nanogeneratorer fungerer

For at drive triboelektrisk nanogeneratoren initieres en gnidningsbevægelse. Denne handling får blandingen af monolag af monodisperse polymethylmethacrylat (PMMA), polystyren (PS) og melaminharpiks (MF) tørpulver til at gnide. Denne handling skaber triboelektrificering mellem perlerne og substraterne.

Test af triboelektriske nanogeneratorer

Ingeniørerne udførte flere tests for at bevise effektiviteten af deres nye generator. En del af testprocessen omfattede kontakt-separations (CS) eksperimenter. Specifikt anvender ingeniørerne Kelvin probe force microscopy (KPFM) og atomic force microscope (AFM) til at overvåge overfladeadhæsion, elektrificeringsfænomenet og elastiske deformationer.

Resultater for triboelektriske nanogeneratorer

Testresultaterne viste stort potentiale for denne teknologi. Specifikt demonstrerede teamet et nyt niveau af tilpasningsmuligheder, herunder kontrol over overfladetopografi, geometri, kontaktstørrelse og homogenitet.

De opdagede, at en specifik pars overfladeladningsdensitet kan øges ved at dække elektroderne med den mindre perle med den højeste Youngs modul. Teamet testede holdbarheden op til 10.000 cyklusser.

Generatoren fungerede som forventet og producerede ren energi med minimal ydelsesnedgang. Derfor betragtes den af mange som en af de bedste muligheder i kampen mod klimaforandringer.

Fordele ved triboelektriske nanogeneratorer

Der er flere fordele, der gør triboelektriske nanogeneratorer til et smart valg. For det første giver de en omkostningseffektiv og grønnere løsning, der kan producere elektricitet på stedet. Denne seneste metode til TENG-produktion lover at reducere omkostningerne endnu mere.

Levetid

En anden fordel ved det nye TANG-layout er muligheden for at gendanne det til sin oprindelige tilstand ved at gnide et bestemt pulver på overfladen. Denne evne betyder, at triboelektriske nanogeneratorer kan overgå deres konkurrenter og tilbyde lavere vedligeholdelsesomkostninger generelt.

Fremstilling

Designet understøtter lavpris- og bæredygtig TENG-fremstilling uden brug af opløsningsmidler. Denne tilgang er hurtigere og renere. Derudover skaber den mindre forurening, og slutproduktet er tilpasseligt. Ingeniører kan endda skabe monolag, som derefter kan indarbejdes i nye typer tekstilstrukturer.

Triboelectric Nanogeneratorer i den virkelige verden & Tidslinje:

Triboelektriske nanogeneratorer kan omvælte flere industrier. For det første er evnen til at skabe selvforsynende elektronik en game changer. Det reducerer afhængigheden af traditionelle energikilder som batterier og giver et renere alternativ, der kan tilpasses mindre formfaktorer. Ifølge ingeniørerne kan kommercielle anvendelser opstå inden for de næste 3 til 5 år, efterhånden som teknologien modnes.

Energihøst

En af de førende anvendelser af denne teknologi er energihøst. Teknologien kunne integreres i hjem eller elektronik og fjerne behovet for opladning. Forestil dig, at al din elektronik fungerer uden batterier, stikkontakter eller eksterne strømkilder. Denne tilgang kunne øge adoptionen og indlede en ny æra inden for teknologi.

Triboelektriske nanogeneratorer kunne anvendes som en overflade til andre grønne energiløsninger og forbedre resultaterne. For eksempel, forestil dig en vindmølle, der også genererer elektricitet på grund af den statiske elektricitet mellem bladene og luften, mens den drejer. Den samme teknologi kan også hjælpe med at producere energi, når motoren roterer.

Smart tøj

Der har været meget snak om at udnytte denne teknologi til at skabe smart tøj. Tænk på en frakke, der kan varme sig selv op fra den energi, der genereres, når du bærer den. Eller forestil dig at kunne forbinde din smartphone til din skos opladningsport. Alt dette og mere er muligt ved at udnytte triboelektriske nanogeneratorer.

Når man taler om hverdagsbeklædning, er dette en bonus. Men når man hæver indsatsen og taler om udforskning, er udsigten til selvforsynende smart tøj en stor fordel. Det kan hjælpe med at sikre komfort og forhindre unødvendige skader. Derudover kan det sikre, at der altid er passende sikkerhedsforanstaltninger på plads.

Elbiler

Elbiler kan få et stort løft i ydeevne gennem integration af disse enheder. Da triboelektriske generatorer producerer energi med nul emissioner på stedet via statisk elektricitet, tilbyder de et mere pålideligt og mindre komplekst alternativ til den uendelige ledningsnet i nutidens køretøjer. I fremtiden vil disse enheder sandsynligvis ikke have brug for strøm fra det centrale batteri, da de sandsynligvis vil have deres egen strømkilde indbygget.

Forskere inden for triboelektriske nanogeneratorer

Forskere fra Afdelingen for Kemisk Ingeniørvidenskab ved Vrije Universiteit Brussel, Riga Technical University, Royal Melbourne Institute of Technology og MESA+ Institute ved University of Twente, ledet af Dr. Ignaas Jimidar fra VUB, bidrog hver især til at realisere studiet.

Nu søger teamet at forbedre effektiviteten og produktionen for at muliggøre storskalige anvendelser. Deres mål er at fortsætte forskningen i forskellige materialer og former. Derfra ønsker de at skabe strategiske partnerskaber for at integrere denne teknologi i produkter i den virkelige verden.

Innovativ virksomhed i front

Efterhånden som fremskridt inden for selvforsynende elektronik og alternative energiløsninger fortsætter, gør virksomheder i spidsen for trådløs energitransmission også betydelige fremskridt. Mens triboelektriske nanogeneratorer tilbyder en lovende vej for bæredygtig energiproduktion, innoverer andre virksomheder inden for trådløs opladningsteknologi og skubber grænserne for, hvordan vi udnytter og distribuerer energi.

Der er et kapløb om at skabe ren energi og levere den til masserne. Virksomheder fortsætter med at investere i grønne og vedvarende energiløsninger, som en dag kan hjælpe med at forhindre yderligere klimaskader.

Udsigten til nye muligheder for triboelektriske nanogeneratorer i hverdagen åbner døren til en lysere fremtid. Her er en virksomhed, der fortsætter med at skabe nye og spændende måder at fjerne afhængigheden af traditionelle energikilder.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) gik ind på markedet i 2012 som DvineWave Inc. Firmaet er beliggende i San Jose, Californien, og blev oprettet for at levere trådløse opladningsløsninger og infrastruktur til markedet. I dag er det anerkendt som en af de førende innovatører inden for den grønne energisektor.

Energous Corp har flere produkter, der har hjulpet det med at opnå anerkendelse på markedet. Dens WattUp trådløse energiteknologi er den mest populære løsning og tilbyder pålidelig opladning. Virksomheden leverer også trådløs energinetværksteknologi (WPNT), såsom softwarekontrol, hardwaredesign, antenner og halvlederchipsets.

Bemærkelsesværdigt har Energeous over 200 patenter inden for trådløs teknologi. Derudover var det den første virksomhed, der opnåede FCC Part 18-certificering for trådløs opladning på afstand. Alle disse faktorer, kombineret med Energeous’ dokumenterede historik, gør WATT til en smart aktie at undersøge nærmere.

Seneste nyt om Energous Corporation

Triboelektriske nanogeneratorer – Køb aldrig batterier igen

Udsigten til at generere energi gennem avanceret statisk elektricitet begejstrer analytikere og ingeniører. Introduktionen af højtydende teknologi som selvforsynende wearables vil uden tvivl give flere overvågnings- og kommunikationsmuligheder til verden. Derfor fortjener disse ingeniører ros for deres indsats.

Lær mere om anden nanoteknologi her.

Studier refereret:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granulære grænseflader i TENGs: Rollen af tæt‑pakkede polymerperle‑monolag for energihøstere. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}