Triboelectric Nanogenerators: Plastic Kralen Stuwen Draagbare Technologie

Een internationaal team van ingenieurs heeft onlangs een nieuwe stijl tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG's) gedemonstreerd die de energieproductie verbetert en de productiekosten verlaagt. Tribo-elektrificatie verwijst naar het benutten van de elektriciteit die door statische lading wordt gecreëerd. Deze schone en direct beschikbare energiebron zou op een dag een groenere toekomst kunnen ontsluiten.

Naarmate de drang om wereldwijd koolstofnetto‑nul emissies te bereiken toeneemt, wordt er veel aandacht besteed aan het creëren van groene energiealternatieven. Met name innovaties op het gebied van zonne‑, wind‑ en geothermische energieproductie krijgen de meeste krantenkoppen, terwijl andere methoden zoals tribo-elektrificatie steeds meer tractie krijgen. Hier is hoe deze technologie op een dag geavanceerde wearables kan creëren, hernieuwbare energie kan opwekken en de deur kan openen naar veiligere operaties.

Tribo-elektrische Nanogeneratoren (TENG's)

TENG's maken gebruik van statische lading die wordt gegenereerd wanneer materialen tegen elkaar wrijven. Wanneer bepaalde materiaaloppervlakken in contact komen met specifieke materialen, ontstaat er een lading. Deze statische lading kan worden versterkt, waardoor betrouwbare elektrische generatie mogelijk wordt.

Opmerkelijk is dat de huidige TENG's afhankelijk zijn van kleine plastic‑achtige kralen. Deze dicht opeengepakte kralen hebben verschillende ladingen, waarbij sommige negatief en andere positief zijn. Wanneer ze tegen elkaar worden gewreven, werken wrijving, adhesie en scheiding samen om extra oppervlakcontact te creëren, waardoor deze generatoren hun output kunnen maximaliseren.

Problemen met TENG's Vandaag

Er zijn nog steeds verschillende onbeantwoorde vragen en problemen die ingenieurs moeten overwinnen om TENG's een betrouwbare alternatief voor andere groene energieoplossingen te maken. Ten eerste ontbreekt het begrip over ladingsdissipatie en de beste manier om deze te beheersen. Deze kenniskloof moet worden overbrugd om de prestaties en betrouwbaarheid van TENG's in de toekomst te verbeteren.

Bron – Ignaas Jimidar

Tot voor kort werd gedacht dat tribo-elektrificatie verschillende materialen vereiste in de TENG. Bijvoorbeeld, polytetrafluorethyleen en polydimethylsiloxaan bleken betrouwbare opties te zijn. Echter, een team van innovatieve onderzoekers heeft die overtuiging weerlegd met de introductie van hun nieuwste verbeterde TENG‑ontwerp.

Studie naar Tribo-elektrische Nanogeneratoren

Granulaire Interfaces in TENG's: De Rol van Dicht Gepakte Polymeer Kraalmonolagen voor Energie‑Opwekkers¹

Specifiek tonen de ingenieurs een nieuwe methode die het gedrag van contactelektrificatie ondersteunt met bijna identieke kralen. Deze aanpak verlaagt de productiekosten en biedt meer maatwerk.

Om te beginnen creëerden de ingenieurs een granulaire TENG die twee elektroden integreert die zijn gecoat met monolagen van monodisperse polymeer kralen. Deze oplosmiddelvrije opstelling is veiliger en efficiënter dan alternatieven omdat het schadelijke chemische bijproducten en risico's elimineert.

Om de oplosmiddelvrije generatie te bereiken, deponeerden wetenschappers monodisperse kralen op een plat substraat. Vervolgens creëerden ze wrijving door de lagen tegen elkaar te wrijven. De vorm van de kralen veroorzaakte rollende wrijving die de oppervlaktespanning verhoogde.

De Juiste Kralen Vinden

Opmerkelijk ontdekte het team dat het gebruik van verschillende soorten kralen in het proces enkele voordelen bood. Ten eerste werd de elektrificatie tussen bepaalde korrels verbeterd door bestaande verschillen in grootte, vorm, spanning, oppervlakteladingsdichtheden of oppervlaktestructuur veroorzaakt door vochtigheid of omgevingsfactoren.

De ingenieurs leerden vanaf het begin dat het type gebruikte kralen de uiteindelijke resultaten zou beïnvloeden. Hun onderzoek toonde aan dat kleine wijzigingen in materiaalkeuze een grote impact hebben op de energieopwekkingsmogelijkheden. Daarom onderzochten ze verschillende materialen, maten en lay‑outs.

Materiaal

Het team testte tijdens het proces veel verschillende soorten polymeer materialen. Ze merkten op dat polymeer materialen responsiviteit op stimuli bieden en een betrouwbare basis vormen. Verschillende varianten van kralen werden gerangschikt voordat ze kozen voor melamine‑formaldehyde (MF) kralen.

MF‑kralen toonden duidelijke voordelen tijdens tribo-elektrische lading. Ten eerste bieden ze een betere ladingsretentie en hebben ze een lage elasticiteit. Bovendien hebben ze de hoogste elasticiteitsmodulus of cohesie‑energie.

Bovendien vertonen ze altijd een positieve lading wanneer ze in contact komen met bepaalde materialen zoals PMMA‑kralen en laten ze de hoogste lading zien vanwege hun relatief hogere Young's modulus. Young's modulus is een algoritme dat wordt gebruikt om stijfheid of weerstand tegen elastische vervorming te meten wanneer er een belasting op wordt uitgeoefend.

Kraalgrootte

Het team experimenteerde ook met veel verschillende kralenmaten. Specifiek gebruikten de ingenieurs monodisperse deeltjes met variërende diameters van 0,5, 3 en 10 µm. Ze merkten op dat grotere kralen eerder een negatieve lading vasthielden, terwijl kleinere kralen positieve ladingen behielden.

Monolagen

Nadat het materiaal, de grootte en de afstand van de kralen waren bepaald, creëerden de ingenieurs monolagen van het materiaal. Volgens hun rapport maakt het team gebruik van oplosmiddelvrije deeltjes‑wrijftechnieken op fluorocarbon‑gecoat substraten.

Lay‑out

Deze lay‑out was de eerste keer dat wetenschappers discrete deeltjes gebruikten in een dicht gepakte monolaagconfiguratie als TENG‑elektrode. Deze aanpak biedt de hoogste inpakdichtheid in een hexagonale dicht gepakte (HCP) configuratie en zorgt voor meer oppervlakcontact terwijl het oppervlak toch wordt gereduceerd, waardoor meer ladingsuitwisseling tussen hen mogelijk is.

Hoe Tribo-elektrische Nanogeneratoren Werken

Om de tribo-elektrische nanogenerator te laten werken, wordt een wrijvingsbeweging gestart. Deze actie zorgt ervoor dat de mengeling van monolagen van monodisperse polymethylmethacrylaat (PMMA), polystyreen (PS) en melaminehars (MF) poeders tegen elkaar wrijft. Deze actie creëert tribo-elektrificatie tussen de kralen en de substraten.

Test van Tribo-elektrische Nanogeneratoren

De ingenieurs voerden verschillende tests uit om de efficiëntie van hun nieuwe generator aan te tonen. Een deel van het testproces omvatte contact‑scheiding (CS) experimenten. Specifiek gebruiken de ingenieurs Kelvin‑probe‑krachtmicroscopie (KPFM) en een atomaire krachtmicroscoop (AFM) om oppervlakadhesie, elektrificatie‑fenomeen en elastische vervormingen te monitoren.

Resultaten van Tribo-elektrische Nanogeneratoren

De testresultaten toonden veelbelovend potentieel voor deze technologie. Specifiek toonde het team een nieuw niveau van maatwerkmogelijkheden, waaronder controle over oppervlak‑topografie, geometrie, contactgrootte en homogeniteit.

Ze ontdekten dat de oppervlakteladingsdichtheid van een specifiek paar kan worden verhoogd door de elektroden te bedekken met de kleinere kraal met de hoogste Young's modulus. Het team testte de levensduur tot 10.000 cycli.

De generator functioneerde zoals verwacht en produceerde schone energie met minimale prestatie‑degradatie. Daarom wordt het door velen gezien als een van de beste opties in de strijd tegen klimaatverandering.

Voordelen van Tribo-elektrische Nanogeneratoren

Er zijn verschillende voordelen die Tribo-elektrische Nanogeneratoren tot een slimme keuze maken. Ten eerste bieden ze een kosteneffectieve en groenere optie die elektriciteit ter plaatse kan produceren. Deze nieuwste methode van TENG‑productie belooft de kosten nog verder te verlagen.

Levensduur

Een ander voordeel van de nieuwe TENG‑lay‑out is de mogelijkheid om deze te herstellen naar de oorspronkelijke staat door een specifiek poeder op het oppervlak te wrijven. Deze mogelijkheid betekent dat Tribo-elektrische Nanogeneratoren hun concurrenten kunnen overtreffen en lagere onderhoudskosten bieden.

Fabricage

Het ontwerp ondersteunt goedkope en duurzame TENG‑fabricage zonder het gebruik van oplosmiddelen. Deze aanpak is sneller en schoner. Bovendien veroorzaakt het minder vervuiling, en is het eindproduct aanpasbaar. Ingenieurs kunnen zelfs monolagen creëren, die vervolgens kunnen worden geïntegreerd in nieuwe soorten textielstructuren.

Toepassingen in de Praktijk & Tijdlijn van Tribo-elektrische Nanogeneratoren:

Tribo-elektrische Nanogeneratoren zouden verschillende industrieën kunnen omverwerpen. Ten eerste is het vermogen om zelfvoorzienende elektronica te creëren een game‑changer. Het vermindert de afhankelijkheid van traditionele energiebronnen zoals batterijen en biedt een schoner alternatief dat kan worden aangepast aan kleinere form factor. Volgens ingenieurs kunnen commerciële toepassingen binnen de komende 3 tot 5 jaar opkomen naarmate de technologie volwassen wordt.

Energie‑opwekking

Een van de belangrijkste toepassingen van deze technologie is energie‑opwekking. Deze technologie kan worden geïntegreerd in huizen of elektronica, waardoor opladen overbodig wordt. Stel je voor dat al je elektronica functioneert zonder batterijen, stopcontacten of externe energiebronnen. Deze aanpak zou adoptie kunnen verbeteren en een nieuw tijdperk van technologie inluiden.

Tribo-elektrische nanogeneratoren kunnen worden toegepast als oppervlak op andere groene energieoplossingen en de resultaten verbeteren. Bijvoorbeeld, stel je een windmolen voor die ook elektriciteit genereert door de statische elektriciteit tussen de bladen en de lucht tijdens het draaien. Dezelfde technologie kan ook helpen energie te produceren wanneer de motor draait.

Slimme Kleding

Er is veel gesproken over het gebruik van deze technologie om slimme kleding te creëren. Denk aan een jas die zichzelf verwarmt met de energie die wordt opgewekt wanneer je hem draagt. Of stel je voor dat je je smartphone kunt aansluiten op het oplaadpoortje van je schoen. Al dit en meer is mogelijk door gebruik te maken van Tribo-elektrische Nanogeneratoren.

Bij alledaagse kleding is dit een extra voordeel. Echter, wanneer je de inzet verhoogt en het over verkenning hebt, is het vooruitzicht van zelf‑energerende slimme kleding een enorm voordeel. Het kan comfort garanderen en onnodige verwondingen voorkomen. Bovendien kan het ervoor zorgen dat er altijd passende veiligheidsmaatregelen aanwezig zijn.

Elektrische Voertuigen

Elektrische voertuigen kunnen een aanzienlijke prestatie‑boost krijgen door de integratie van deze apparaten. Aangezien tribo-elektrische generatoren energie produceren met nul emissies ter plaatse via statische elektriciteit, bieden ze een betrouwbaarder en minder complex alternatief voor de eindeloze bedrading die in huidige voertuigen wordt gebruikt. In de toekomst zullen deze eenheden geen stroom meer nodig hebben van de centrale batterij, omdat ze waarschijnlijk hun eigen energiebron ingebouwd hebben.

Onderzoekers van Tribo-elektrische Nanogeneratoren

Onderzoekers van de afdeling Chemische Technologie van de Vrije Universiteit Brussel, de Riga Technical University, het Royal Melbourne Institute of Technology en het MESA+ Institute aan de Universiteit Twente, onder leiding van Dr. Ignaas Jimidar van VUB, hebben allemaal hun steentje bijgedragen aan de realisatie van de studie.

Nu streeft het team ernaar de efficiëntie en productie te verbeteren om grootschalige toepassingen mogelijk te maken. Hun doel is om verder onderzoek te doen naar verschillende materialen en vormen. Vanuit daar willen ze strategische partnerschappen aangaan om deze technologie in echte producten te integreren.

Innovatief Bedrijf dat de Leiding Neemt

Naarmate de vooruitgang in zelfvoorzienende elektronica en alternatieve energieoplossingen doorgaat, maken bedrijven die vooroplopen in draadloze energieoverdracht ook aanzienlijke stappen. Terwijl tribo-elektrische nanogeneratoren een veelbelovende route bieden voor duurzame energieopwekking, innoveren andere bedrijven in draadloze oplaadtechnologieën en verleggen ze de grenzen van hoe we energie benutten en distribueren.

Er is een race om schone energie te creëren en deze naar de massa te brengen. Bedrijven blijven investeren in groene en hernieuwbare energieoplossingen die op een dag kunnen helpen verdere klimaatschade te voorkomen.

Het vooruitzicht van nieuwe mogelijkheden voor tribo-elektrische nanogeneratoren in het dagelijks leven opent de deur naar een helderdere toekomst. Hier is één bedrijf dat blijft nieuwe en opwindende manieren creëren om afhankelijkheid van traditionele energiebronnen te elimineren.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) betrad de markt in 2012 als DvineWave Inc. Het bedrijf is gevestigd in San Jose, Californië, en werd opgericht om draadloze oplaadoplossingen en -infrastructuur aan de markt te bieden. Vandaag wordt het erkend als een van de toonaangevende innovators in de groene energiesector.

Energous Corp heeft verschillende producten die het bedrijf erkenning hebben opgeleverd in de markt. Zijn WattUp draadloze vermogentechnologie is de populairste optie en biedt betrouwbare oplading. Het bedrijf levert ook draadloze vermogensnetwerktechnologie (WPNT), zoals software‑controles, hardware‑ontwerpen, antennes en halfgeleider‑chipsets.

Opmerkelijk is dat Energeous meer dan 200 patenten bezit in de draadloze technologie‑industrie. Bovendien was het het eerste bedrijf dat FCC Part 18‑certificering behaalde voor draadloos opladen op afstand. Al deze factoren, gecombineerd met het bewezen trackrecord van Energeous, maken WATT een slimme aandelenkeuze voor verder onderzoek.

Laatste Nieuws over Energous Corporation

Tribo-elektrische Nanogeneratoren – Nooit Meer Batterijen Kopen

Het vooruitzicht om energie op te wekken via geavanceerde statische elektriciteit maakt analisten en ingenieurs enthousiast. De introductie van high‑performance technologie zoals zelfvoorzienende wearables zal ongetwijfeld meer monitoring‑ en communicatiemogelijkheden aan de wereld bieden. Daarom verdienen deze ingenieurs lof voor hun inspanningen.

Leer hier meer over andere nanotechnologieën here.

Studies Gerefereerd:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granulaire interfaces in TENG's: De rol van dicht‑gepakte polymeer kraalmonolagen voor energie‑opwekkers. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}