Triboelectric Nanogeneratorer: Plastperler driver bærbar teknologi

Et internasjonalt team av ingeniører demonstrerte nylig en ny type triboelektriske nanogeneratorer (TENGs) som forbedrer energiproduksjon og senker produksjonskostnadene. Triboelektrifisering refererer til å utnytte elektrisiteten som skapes av statisk ladning. Denne rene og lett tilgjengelige energikilden kan en dag åpne for en grønnere fremtid.

Etter hvert som presset for å nå netto nullutslipp av karbon på global skala øker, har mye oppmerksomhet blitt rettet mot å skape grønne energialternativer. Innovasjoner innen sol-, vind- og geotermisk kraftproduksjon får mest medieoppmerksomhet, mens andre metoder som triboelektrifisering fortsetter å få fotfeste. Slik kan denne teknologien en dag skape forbedrede bærbare enheter, generere fornybar energi og åpne døren for tryggere operasjoner.

Triboelectric Nanogeneratorer (TENGs)

TENGs utnytter statisk ladning som genereres når materialer gnis mot hverandre. Når bestemte materialoverflater kommer i kontakt med spesifikke materialer, produseres en ladning. Denne statiske ladningen kan forsterkes, noe som muliggjør pålitelig elektrisk generering.

De nåværende TENGs er avhengige av små plastlignende perler. Disse tettpakkede perlene har ulike ladninger, noen negative og andre positive. Når de gnis mot hverandre, samarbeider friksjon, adhesjon og separasjon for å skape ekstra overflateskontakt, slik at generatorene kan maksimere utbyttet.

Problemer med TENGs i dag

Det finnes fortsatt flere ubesvarte spørsmål og utfordringer som ingeniører må overkomme for å gjøre TENGs til et pålitelig alternativ til andre grønne energiløsninger. For det første mangler forståelse rundt ladningsdissipasjon og den beste måten å kontrollere den på. Dette kunnskapsgapet må lukkes for å forbedre ytelse og pålitelighet til TANGs fremover.

Kilde – Ignaas Jimidar

Inntil nylig ble det antatt at triboelektrifisering krevde varierende materialer i TENG. For eksempel ble polytetrafluoretylen og polydimetylsiloksan vist som pålitelige alternativer. Imidlertid har et team av innovative forskere nettopp motbevist denne oppfatningen med introduksjonen av deres nyeste forbedrede TENG-design.

Studie av Triboelectric Nanogeneratorer

Studien “Granular Interfaces in TENGs: The Role of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters“¹ søker å belyse kompleksiteten i ladningsdispersjon og materialbruk i triboelektrifisering.

Spesielt viser ingeniørene en ny metode som støtter kontakt‑elektrifiseringsadferd ved bruk av nesten identiske perler. Denne tilnærmingen reduserer produksjonskostnadene og tillater mer tilpasning.

For å starte laget ingeniørene en granulær‑basert TENG som integrerer to elektroder belagt med monolag av monodisperse polymerperler. Denne løsningsmidelfrie oppsettet er tryggere og mer effektivt enn alternativer, da det eliminerer skadelige kjemiske biprodukter og risikoer.

For å oppnå den løsningsmidelfrie genereringen deponerte forskerne monodisperse perler på et plan substrat. Deretter skapte de friksjon ved å gni lagene sammen. Perlenes form skapte en rullende friksjon som økte overflatespenningen.

Finne de rette perlene

Teamet oppdaget at bruk av ulike typer perler i prosessen hadde noen fordeler. For det første ble elektrifisering mellom visse korn forbedret på grunn av eksisterende forskjeller i størrelse, form, belastning, overfladeladningstetthet eller overflateruhet forårsaket av fuktighet eller miljøfaktorer.

Ingeniørene lærte fra starten av at typen perler som brukes vil påvirke sluttresultatene. Deres forskning demonstrerte at små endringer i materialvalg har stor innvirkning på energigenereringskapasiteten. Derfor undersøkte de ulike materialer, størrelser og oppsett.

Materiale

Teamet testet mange forskjellige polymermaterialer under prosessen. De bemerket at polymermaterialer gir respons på stimuli og gir en pålitelig base. Flere varianter av perler ble arrangert før de slo seg ned på melamin‑formaldehyd (MF) perler.

MF‑perler viste tydelige fordeler under triboelektrisk ladning. For det første gir de bedre ladningsretensjon og har lav elastisitet. I tillegg har de høyest elastisk modul eller kohesjonsenergi.

De viser også alltid en positiv ladning når de kommer i kontakt med visse materialer som PMMA‑perler, og viser den høyeste ladningen på grunn av deres relativt høyere Youngs modul. Youngs modul er en algoritme som brukes til å måle stivhet eller motstand mot elastisk deformasjon under belastning.

Perlestørrelse

Teamet eksperimenterte også med mange forskjellige perlestørrelser. Spesielt benyttet ingeniørene monodisperse partikler med varierende diametre på 0,5, 3 og 10 µm. De bemerket at større perler var mer sannsynlige til å holde en negativ ladning, mens mindre perler beholdt positive ladninger.

Monolag

Når perlematerialet, størrelsen og avstanden var bestemt, laget ingeniørene monolag av materialet. Ifølge rapporten bruker teamet løsningsmidelfrie partikkel‑gnidings‑monteringsmetoder på fluorkarbon‑belagte substrater.

Oppsett

Dette oppsettet var første gang forskere benyttet diskrete partikler i en tettpakkende monolagkonfigurasjon som TENG‑elektrode. Tilnærmingen gir den høyeste pakkedensiteten i en heksagonal tettpakning (HCP) og gir mer overflateskontakt samtidig som den reduserer overflatearealet, noe som tillater mer ladningsutveksling mellom dem.

Hvordan Triboelectric Nanogeneratorer fungerer

For å drive triboelektrisk nanogenerator initieres en gningsbevegelse. Denne handlingen får blandingen av monolag av monodisperse polymetylmetakrylat (PMMA), polystyren (PS) og melaminharpiks (MF) tørre pulver til å gni mot hverandre. Dette skaper triboelektrifisering mellom perlene og substratene.

Triboelectric Nanogeneratorer‑test

Ingeniørene gjennomførte flere tester for å bevise effektiviteten til den nye generatoren. En del av testprosessen inkluderte kontakt‑separasjons‑eksperimenter (CS). Spesielt benyttet ingeniørene Kelvin‑probe‑kraft‑mikroskopi (KPFM) og atomkraft‑mikroskop (AFM) for å overvåke overflateadhesjon, elektrifiseringsfenomen og elastiske deformasjoner.

Triboelectric Nanogeneratorer‑resultater

Testresultatene viste stort løfte for denne teknologien. Spesielt demonstrerte teamet et nytt nivå av tilpasningsmuligheter, inkludert kontroll over overflatetopografi, geometri, kontaktstørrelse og homogenitet.

De oppdaget at en spesifikk pares overfladeladningstetthet kan økes ved å dekke elektrodene med den mindre perlen med høyest Youngs modul. Teamet testet også holdbarhet opp til 10 000 sykluser.

Generatoren fungerte som forventet og produserte ren energi med minimal ytelsesnedgang. Som sådan blir den av mange sett på som et av de beste alternativene i kampen mot klimaendringer.

Fordeler med Triboelectric Nanogeneratorer

Det finnes flere fordeler som gjør Triboelectric Nanogeneratorer til et smart valg. For det første gir de et kostnadseffektivt og grønnere alternativ som kan produsere elektrisitet på stedet. Denne nyeste metoden for TENG‑produksjon lover å redusere kostnadene ytterligere.

Levetid

En annen fordel med det nye TANG‑oppsettet er muligheten til å gjenopprette det til sin opprinnelige tilstand ved å gni et bestemt pulver på overflaten. Denne evnen betyr at Triboelectric Nanogeneratorer kan overgå konkurrentene sine og tilby lavere vedlikeholdskostnader på tvers av hele spekteret.

Fremstilling

Designet støtter lavkost‑ og bærekraftig TENG‑produksjon uten bruk av løsningsmidler. Denne tilnærmingen er raskere og renere. I tillegg skaper den mindre forurensning, og sluttproduktet er tilpassbart. Ingeniører kan til og med lage monolag, som deretter kan innarbeides i nye typer tekstilstrukturer.

Triboelectric Nanogeneratorer i virkelige anvendelser & tidslinje:

Triboelectric Nanogeneratorer kan endre flere industrier. For det første er evnen til å lage selvforsynte elektroniske enheter en spillveksler. Det reduserer avhengigheten av tradisjonelle energikilder som batterier og gir et renere alternativ som kan tilpasses mindre formfaktorer. Ifølge ingeniørene kan kommersielle anvendelser dukke opp innen de neste 3 til 5 år etter hvert som teknologien modnes.

Energihøsting

En av de fremste bruksområdene for denne teknologien er energihøsting. Teknologien kan integreres i hjem eller elektronikk, og eliminere behovet for lading. Tenk deg at all din elektronikk fungerer uten batterier, stikkontakter eller eksterne strømkilder. Denne tilnærmingen kan øke adopsjon og innlede en ny teknologisk æra.

Triboelectric nanogeneratorer kan også brukes som overflate til andre grønne energiløsninger og forbedre resultatene. For eksempel, forestill deg en vindmølle som også genererer strøm på grunn av statisk elektrisitet mellom bladene og luften mens den roterer. Den samme teknologien kan også bidra til å produsere energi når motoren roterer.

Smart klær

Det har vært mye snakk om å bruke denne teknologien til å lage smarte klær. Tenk deg en frakk som kan varme seg selv ved hjelp av kraften som genereres når du har den på deg. Eller forestill deg å kunne koble smarttelefonen din til skoens ladeport. Alt dette og mer er mulig ved å bruke Triboelectric Nanogeneratorer.

Når man diskuterer hverdagsklær, er dette et ekstra pluss. Men når man hever innsatsen og snakker om utforskning, er utsiktene til selvforsynte smarte klær en enorm fordel. Det kan bidra til å sikre komfort og forhindre unødvendige skader. I tillegg kan det bidra til å garantere at det alltid finnes passende sikkerhetstiltak.

EL‑biler

Elektriske kjøretøy kan få et betydelig løft i ytelse gjennom integrering av disse enhetene. Siden triboelektriske generatorer produserer energi med null utslipp på stedet via statisk elektrisitet, tilbyr de et mer pålitelig og mindre komplekst alternativ til de uendelige ledningsnettverkene som finnes i dagens kjøretøy. I fremtiden vil disse enhetene sannsynligvis ikke trenge kraft fra det sentrale batteriet, da de mest sannsynlig vil ha sin egen strømkilde integrert.

Triboelectric Nanogenerator‑forskere

​Forskere fra Institutt for kjemisk ingeniørvitenskap ved Vrije Universiteit Brussel, Riga Technical University, Royal Melbourne Institute of Technology og MESA+‑instituttet ved University of Twente, ledet av Dr. Ignaas Jimidar fra VUB, bidro alle til å realisere studien.

Nå søker teamet å forbedre effektivitet og produksjon for å muliggjøre storskalige anvendelser. Målet deres er å fortsette forskningen på ulike materialer og former. Derfra ønsker de å skape strategiske partnerskap for å integrere denne teknologien i virkelige produkter.

Innovativt selskap i frontlinjen

Etter hvert som fremskritt innen selvforsynt elektronikk og alternative energiløsninger fortsetter, gjør selskaper i frontlinjen av trådløs energioverføring også betydelige fremskritt. Mens triboelektriske nanogeneratorer tilbyr en lovende vei for bærekraftig kraftproduksjon, innoverer andre firmaer innen trådløs ladningsteknologi og presser grensene for hvordan vi utnytter og distribuerer energi.

Det er et kappløp om å skape ren energi og få den ut til massene. Selskaper fortsetter å investere i grønne og fornybare energiløsninger som en dag kan bidra til å forhindre ytterligere klimaødeleggelser.

Utsiktene til nye muligheter for triboelektriske nanogeneratorer i hverdagslivet åpner døren for en lysere fremtid. Her er ett selskap som fortsetter å skape nye og spennende måter å eliminere avhengigheten av tradisjonelle energikilder på.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) kom inn på markedet i 2012 som DvineWave Inc. Selskapet er lokalisert i San Jose, California, og ble opprettet for å levere trådløse ladningsløsninger og infrastruktur til markedet. I dag er det anerkjent som en av de ledende innovatørene i den grønne energisektoren.

Energous Corp har flere produkter som har hjulpet selskapet med å oppnå anerkjennelse i markedet. Deres WattUp trådløse kraftteknologi er det mest populære alternativet, og tilbyr pålitelig lading. Selskapet tilbyr også trådløs kraftnettverksteknologi (WPNT), som programvarekontroller, maskinvaredesign, antenner og halvlederbrikker.

Merkbart har Energeous over 200 patenter innen trådløs teknologibransje. I tillegg var det det første selskapet som sikret FCC Part 18‑sertifisering for trådløs lading på avstand. Alle disse faktorene, kombinert med Energeous’ dokumenterte merittliste, gjør WATT til en smart aksje å undersøke nærmere.

Siste nytt om Energous Corporation

Triboelectric Nanogeneratorer – Aldri kjøp batterier igjen

Utsiktene til å generere energi gjennom avansert statisk elektrisitet er noe som har analytikere og ingeniører begeistret. Introduksjonen av høyytelses‑teknologi som selvforsynte wearables vil garantert gi flere overvåkings‑ og kommunikasjonsmuligheter til verden. Som sådan fortjener disse ingeniørene ros for innsatsen deres.

Lær om annen nanoteknologi her.

Studier referert:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granular interfaces in TENGs: The role of close‐packed polymer bead monolayers for energy harvesters. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}