Triboelectric Nanogenerators: Plastpärlor driver bärbar teknik

Ett internationellt team av ingenjörer demonstrerade nyligen en ny stil av triboelektriska nanogeneratorer (TENGs) som förbättrar energiskapande och sänker tillverkningskostnaderna. Triboelektrisering avser att utnyttja den elektricitet som skapas av statisk laddning. Denna rena och lättillgängliga energikälla kan en dag låsa upp en grönare framtid.

När strävan efter att nå koldioxidneutralitet på global skala ökar har mycket uppmärksamhet riktats mot att skapa gröna energialternativ. Framträdande får innovationer inom sol-, vind- och geotermisk kraftproduktion mest uppmärksamhet, medan andra metoder som triboelektrisering fortsätter att vinna mark. Så här kan tekniken en dag skapa förbättrade bärbara enheter, generera förnybar energi och öppna dörren för säkrare verksamheter.

Triboelektriska nanogeneratorer (TENGs)

TENGs utnyttjar den statiska laddning som genereras när material gnids mot varandra. När vissa materialytor kommer i kontakt med specifika material bildas en laddning. Denna statiska laddning kan förstärkas, vilket möjliggör pålitlig elproduktion.

Det är värt att notera att de nuvarande TENGs förlitar sig på små plastliknande pärlor. Dessa tätt packade pärlor har olika laddningar, där vissa är negativa och andra positiva. När de gnids mot varandra samverkar friktion, adhesion och separation för att skapa ytterligare ytkontakt, vilket gör att dessa generatorer kan maximera sin uteffekt.

Problem med TENGs idag

Det finns fortfarande flera obesvarade frågor och problem som ingenjörer måste övervinna för att göra TENGs till ett pålitligt alternativ till andra gröna energilösningar. För det första saknas förståelse för laddningsdissipation och det bästa sättet att kontrollera den. Detta kunskapsgap måste överbryggas för att förbättra prestanda och tillförlitlighet hos TENGs framöver.

Källa – Ignaas Jimidar

Fram till nyligen ansågs triboelektrisering kräva olika material i TENG. Till exempel har polytetrafluoretylen och polydimetylsiloxan visat sig vara pålitliga alternativ. Ett team av innovativa forskare har dock nyligen motbevisat den uppfattningen med introduktionen av deras senaste förbättrade TENG-design.

Studie om triboelektriska nanogeneratorer

Studien “Granulära gränssnitt i TENGs: Rollen av tätt packade polymerpärlmonolager för energihämtare”¹ syftar till att belysa komplexiteten i triboelektrisk laddningsspridning och materialanvändning.

Specifikt visar ingenjörerna en ny metod som stödjer kontakt‑elektrifieringsbeteende med nästan identiska pärlor. Detta tillvägagångssätt minskar tillverkningskostnaderna och möjliggör mer anpassning.

För att börja skapade ingenjörerna en granulärbaserad TENG som integrerar två elektroder belagda med monolager av monodispersa polymerpärlor. Denna lösningsmedelsfria uppsättning är säkrare och mer effektiv än alternativ eftersom den eliminerar skadliga kemiska biprodukter och risker.

För att uppnå den lösningsmedelsfria genereringen deponerade forskarna monodispersa pärlor på ett plan substrat. De skapade sedan friktion genom att gnida lagren mot varandra. Pärlarnas form skapade en rullande friktion som ökade ytspänningen.

Att hitta rätt pärlor

Det är värt att notera att teamet upptäckte att användning av olika typer av pärlor i processen hade vissa fördelar. Till exempel förbättrades elektrifieringen mellan vissa korn på grund av befintliga skillnader i storlek, form, spänning, ytladningsdensitet eller ytstruktur som orsakats av fuktighet eller miljöfaktorer.

Ingenjörerna lärde sig redan från början att typen av pärlor som används påverkar slutresultatet. Deras forskning visade att små förändringar i materialval har stor inverkan på energigenereringsförmågan. Därför undersökte de olika material, storlekar och layouter.

Material

Teamet testade många olika typer av polymermaterial under processen. De noterade att polymermaterial erbjuder respons på stimuli och ger en pålitlig bas. Flera varianter av pärlor arrangerades innan de bestämde sig för melamin-formaldehyd (MF) pärlor.

MF‑pärlor visade tydliga fördelar under triboelektrisk laddning. Till exempel erbjuder de bättre laddningsretention och har låg elasticitet. Dessutom har de det högsta elastiska modulen eller kohesionsenergin.

De visar också alltid en positiv laddning när de placeras i kontakt med vissa material som PMMA‑pärlor och uppvisar den högsta laddningen på grund av deras relativt högre Youngs modul. Youngs modul är ett mått som används för att mäta styvhet eller motstånd mot elastisk deformation under belastning.

Pärlstorlek

Teamet experimenterade också med många olika pärlstorlekar. Specifikt använde ingenjörerna monodispersa partiklar med varierande diametrar på 0,5, 3 och 10 µm. De noterade att större pärlor oftare behöll en negativ laddning, medan mindre pärlor behöll positiva laddningar.

Monolager

När pärlarnas material, storlek och avstånd bestämdes skapade ingenjörerna monolager av materialet. Enligt deras rapport använder teamet lösningsmedelsfria partikelfriktningstekniker på fluorkarbonbelagda substrat.

Layout

Denna layout var första gången forskare använde diskreta partiklar i en tätt packad monolagerkonfiguration som TENG‑elektrod. Detta tillvägagångssätt ger den högsta packningstätheten i en hexagonal tätpackad (HCP) konfiguration och erbjuder mer ytkontakt samtidigt som ytan minskas, vilket möjliggör mer laddningsutbyte mellan dem.

Hur triboelektriska nanogeneratorer fungerar

För att driva triboelektriska nanogeneratorn initieras en gnidningsrörelse. Denna handling får blandningen av monolager av monodispersa torrpulver av polymetylmetakrylat (PMMA), polystyren (PS) och melaminharts (MF) att gnidas. Detta skapar triboelektrisering mellan pärlorna och substraten.

Test av triboelektriska nanogeneratorer

Ingenjörerna genomförde flera tester för att bevisa effektiviteten hos deras nya generator. En del av testprocessen inkluderade kontakt‑separations‑experiment (CS). Specifikt använder ingenjörerna Kelvin‑sondkraftmikroskopi (KPFM) och atomkraftmikroskop (AFM) för att övervaka yttadhesion, elektrifieringsfenomen och elastiska deformationer.

Resultat för triboelektriska nanogeneratorer

Testresultaten visade stor potential för denna teknik. Specifikt demonstrerade teamet en ny nivå av anpassningsmöjligheter inklusive kontroll över ytstruktur, geometri, kontaktstorlek och homogenitet.

De upptäckte att en specifik pars ytladningsdensitet kan ökas genom att täcka elektroderna med den mindre pärlan med högsta Youngs modul. Teamet testade hållbarheten upp till 10 000 cykler.

Generatorn fungerade som förväntat och producerade ren energi med minimal prestandaförlust. Därför ses den av många som ett av de bästa alternativen i kampen mot klimatförändringarna.

Fördelar med triboelektriska nanogeneratorer

Det finns flera fördelar som gör triboelektriska nanogeneratorer till ett smart val. För det första erbjuder de ett kostnadseffektivt och grönare alternativ som kan producera elektricitet på plats. Den senaste metoden för TENG‑tillverkning lovar att ytterligare minska kostnaderna.

Livslängd

En annan fördel med den nya TENG‑layouten är möjligheten att återställa den till sitt ursprungliga tillstånd genom att gnida ett specifikt pulver på ytan. Denna förmåga innebär att triboelektriska nanogeneratorer kan överträffa sina konkurrenter och erbjuda lägre underhållskostnader över hela linjen.

Tillverkning

Designen stödjer lågkostnads- och hållbar TENG‑tillverkning utan användning av lösningsmedel. Detta tillvägagångssätt är snabbare och renare. Dessutom skapar det mindre föroreningar och slutprodukten är anpassningsbar. Ingenjörer kan till och med skapa monolager som sedan kan integreras i nya typer av textilstrukturer.

Triboelektriska nanogeneratorer i verkliga tillämpningar & Tidslinje:

Triboelektriska nanogeneratorer kan omvälva flera industrier. För det första är förmågan att skapa självförsörjande elektronik en spelväxlare. Det minskar beroendet av traditionella energikällor som batterier och erbjuder ett renare alternativ som kan anpassas till mindre formfaktorer. Enligt ingenjörerna kan kommersiella tillämpningar dyka upp inom de kommande 3 till 5 åren när tekniken mognar.

Energihämtning

En av de främsta användningarna av denna teknik är energihämtning. Tekniken kan integreras i hem eller elektronik och eliminera behovet av laddning. Föreställ dig att all din elektronik fungerar utan batterier, uttag eller externa strömkällor. Detta tillvägagångssätt kan förbättra antagandet och inleda en ny teknologisk era.

Triboelektriska nanogeneratorer kan appliceras som en yta på andra gröna energilösningar och förbättra resultaten. Till exempel, föreställ dig en vindkraftverk som också genererar elektricitet på grund av den statiska elektriciteten mellan bladen och luften när den snurrar. Samma teknik kan också hjälpa till att producera energi när motorn roterar.

Smartkläder

Det har pratats mycket om att använda denna teknik för att skapa smartkläder. Tänk dig en kappa som kan värma sig själv med den kraft som genereras när du bär den. Eller föreställ dig att kunna ansluta din smartphone till ditt skos laddningsport. Allt detta och mer är möjligt genom att utnyttja triboelektriska nanogeneratorer.

När man diskuterar vardagskläder är detta en bonus. Men när man höjer insatserna och talar om utforskning blir utsikterna för självförsörjande smartkläder en stor fördel. Det kan bidra till att säkerställa komfort och förhindra onödiga skador. Dessutom kan det hjälpa till att garantera att alltid lämpliga säkerhetsåtgärder finns på plats.

Elbilar

Elbilar kan få en stor prestandaökning genom integrationen av dessa enheter. Eftersom triboelektriska generatorer producerar energi med noll utsläpp på plats via statisk elektricitet, erbjuder de ett mer pålitligt och mindre komplext alternativ till den oändliga kabelhärvan som finns i dagens fordon. I framtiden kommer dessa enheter sannolikt inte behöva ström från det centrala batteriet eftersom de troligen har sin egen energikälla inbyggd.

Forskare inom triboelektriska nanogeneratorer

Forskare från Institutionen för kemiteknik vid Vrije Universiteit Brussel, Riga Technical University, Royal Melbourne Institute of Technology och MESA+ Institute vid University of Twente, ledda av Dr. Ignaas Jimidar från VUB, bidrog alla till att förverkliga studien.

Nu strävar teamet efter att förbättra effektiviteten och tillverkningen för att möjliggöra storskaliga tillämpningar. Deras mål är att fortsätta forskningen kring olika material och former. Därefter vill de skapa strategiska partnerskap för att integrera denna teknik i verkliga produkter.

Innovativt företag som leder utvecklingen

När framsteg inom självförsörjande elektronik och alternativa energilösningar fortsätter, gör företag i framkant av trådlös energitransmission också betydande framsteg. Medan triboelektriska nanogeneratorer erbjuder en lovande väg för hållbar energiproduktion, innoverar andra företag inom trådlösa laddningstekniker och tänjer på gränserna för hur vi utnyttjar och distribuerar energi.

Det pågår ett race för att skapa ren energi och göra den tillgänglig för massorna. Företag fortsätter att investera i gröna och förnybara energilösningar som en dag kan hjälpa till att förhindra ytterligare klimatförstöring.

Utsikterna för nya möjligheter med triboelektriska nanogeneratorer i vardagen öppnar dörren till en ljusare framtid. Här är ett företag som fortsätter att skapa nya och spännande sätt att eliminera beroendet av traditionella energikällor.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) gick in på marknaden 2012 som DvineWave Inc. Företaget är beläget i San Jose, Kalifornien, och skapades för att tillhandahålla trådlösa laddningslösningar och infrastruktur till marknaden. Idag är det erkänt som en av de ledande innovatörerna inom den gröna energisektorn.

Energous Corp har flera produkter som har hjälpt dem att vinna erkännande på marknaden. Dess WattUp trådlösa kraftteknik är det mest populära alternativet och erbjuder pålitlig laddning. Företaget erbjuder också trådlös kraftnätverksteknologi (WPNT), såsom mjukvarukontroller, hårdvarudesign, antenner och halvledarchips.

Det är värt att notera att Energeous har över 200 patent inom trådlös teknik. Dessutom var det det första företaget som fick FCC Part 18‑certifiering för trådlös laddning på avstånd. Alla dessa faktorer, kombinerat med Energeous beprövade meritlista, gör WATT till en smart aktie att undersöka vidare.

Senaste om Energous Corporation

Triboelektriska nanogeneratorer – Köp aldrig batterier igen

Utsikten att generera energi genom avancerad statisk elektricitet är en som entusiasmerar analytiker och ingenjörer. Introduktionen av högpresterande teknik som självförsörjande bärbara enheter kommer säkert att ge världen fler övervaknings- och kommunikationsmöjligheter. Därför förtjänar dessa ingenjörer beröm för sina insatser.

Läs om annan nanoteknik här.

Studier refererade:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granulära gränssnitt i TENGs: Rollen av tätt packade polymerpärlmonolager för energihämtare. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}