Más de 60 grupos de investigación en todo el mundo están desarrollando variaciones del nanogenerador triboeléctrico. En esta imagen se muestra una colección de dispositivos. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Más de 60 grupos de investigación en todo el mundo están desarrollando variaciones del nanogenerador triboeléctrico (TENG), que convierte la energía mecánica ambiental en electricidad para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, redes de sensores, dispositivos médicos implantables y otros sistemas pequeños.
Proporcionar un medio para comparar y seleccionar estos nanogeneradores de recolección de energía para aplicaciones específicas, El grupo de investigación del Instituto de Tecnología de Georgia que fue pionero en la tecnología TENG ha propuesto ahora un conjunto de estándares para cuantificar el rendimiento de los dispositivos. La propuesta evalúa el desempeño estructural y de materiales de los cuatro tipos principales de dispositivos TENG.
"Los nanogeneradores triboeléctricos son una nueva tecnología energética que ha mostrado un potencial fenomenal, "dijo Zhong Lin Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Aquí, Hemos propuesto estándares mediante los cuales se puede cuantificar y comparar el rendimiento de estos dispositivos. Estos estándares serán útiles para los investigadores académicos que desarrollan los dispositivos y para futuras aplicaciones industriales de los nanogeneradores ".
Los estándares propuestos se describen en un artículo publicado el 25 de septiembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Los nanogeneradores triboeléctricos utilizan una combinación del efecto triboeléctrico y la inducción electrostática para generar una pequeña cantidad de energía eléctrica a partir del movimiento mecánico, como la rotación, deslizamiento o vibración. El efecto triboeléctrico aprovecha el hecho de que ciertos materiales se cargan eléctricamente después de entrar en contacto móvil con una superficie hecha de un material diferente. La electricidad generada por los dispositivos TENG podría reemplazar o complementar las baterías para una amplia gama de aplicaciones potenciales.
Desarrollado durante los últimos años, la tecnología ha avanzado hasta el punto en que puede alimentar pequeños dispositivos electrónicos, potencialmente habilitando sistemas de infraestructura y sensores generalizados, así como también para alimentar dispositivos de consumo portátiles.
"Debido a la gran cantidad de dispositivos que se están desarrollando, las personas deben tener un estándar para juzgar el rendimiento de estos nanogeneradores, Wang dijo. Señaló que los estándares han permitido que tecnologías como la fotovoltaica y los dispositivos termoeléctricos avancen, aunque el rendimiento de los dispositivos TENG es más difícil de cuantificar debido a las diferentes opciones de diseño y materiales disponibles.
(De izquierda a derecha) Simiao Niu, estudiante graduado de Georgia Tech, El becario postdoctoral Yunlong Zi y el profesor de Regents Zhong Lin Wan se muestran con una selección de nanogeneradores triboeléctricos. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
En su papel El equipo de Wang propone una figura de mérito general que se puede utilizar para cuantificar la producción de energía potencial de los dispositivos TENG. La figura de mérito general se compone de información de otras dos fuentes:las capacidades de la estructura específica de TENG utilizada, y la densidad de carga superficial proporcionada por los materiales específicos elegidos para construir el dispositivo. La salida se compara con las entradas de energía mecánica para proporcionar una comparación de eficiencia.
Estas mediciones se basan en gráficos de la acumulación de voltaje y las cargas eléctricas transferidas totales de cada dispositivo. Las cifras estructurales de mérito se derivan de cálculos teóricos para cada uno de los cuatro modos principales de nanogeneradores, más resultados experimentales producidos por dispositivos TENG colocados en un circuito con un interruptor y una carga eléctrica. La figura de mérito de los materiales depende de las mediciones experimentales de la densidad de carga superficial realizadas con una configuración experimental que utiliza metal líquido para recolectar la carga superficial.
Las variaciones en las estructuras de TENG permiten una variedad de aplicaciones dependiendo de la fuente de energía mecánica. Los cuatro grupos principales incluyen (1) modo de separación de contacto vertical, (2) modo de deslizamiento lateral, (3) modo de un solo electrón, y (4) modo de capa triboeléctrica independiente. También hay combinaciones híbridas de estos modos estructurales principales.
El modo de separación de contactos, por ejemplo, está impulsado por una fuerza impulsora periódica que provoca un contacto repetido, y luego la separación, entre dos materiales diferentes que tienen electrodos revestidos en las superficies superior e inferior. El modelo de deslizamiento lateral utiliza dos superficies que se deslizan brevemente juntas, luego separarse, generando una carga.
"Podemos calcular para los cuatro modos cuáles son los mejores tamaños y formas, y la mejor potencia de salida que puede esperar para una figura de mérito estructural específica, Wang explicó.
Las opciones de materiales probados incluyen etileno propileno fluorado, Kapton, fluoruro de polivinilideno polarizado, polietileno, caucho natural y celulosa.
Las técnicas de medición y teóricas fueron desarrolladas por el becario postdoctoral Yunlong Zi y el estudiante de posgrado Simiao Niu, ambos miembros del equipo de investigación de Wang. Al desarrollar sus estándares propuestos, los investigadores consideraron lo que ya se había hecho al establecer estándares para motores térmicos y otras tecnologías.
"Para generadores triboeléctricos, porque la entrada mecánica es variada, tiene diferentes tipos de medidas para evaluar el rendimiento, ", dijo Zi." Estas cifras de mérito son considerablemente más complicadas de lo que serían necesarias para caracterizar el rendimiento de las células solares, por ejemplo."
La publicación de los estándares propuestos es un primer paso en lo que Wang espera que sea un largo proceso de aceptación. Planea pasar los próximos meses explicando los estándares a otros grupos de investigación que desarrollan dispositivos TENG.
Estima que podría haber 60 grupos de investigación en todo el mundo trabajando en dispositivos TENG, y espera que ese número aumente a medida que los nanogeneradores se vuelvan más sofisticados y potentes.
"A medida que los dispositivos electrónicos portátiles se vuelven más populares y de moda, necesitaremos una mejor manera de alimentarlos, "Dijo Wang." Los nanogeneradores triboeléctricos pueden desempeñar un papel importante en eso. Hemos dedicado mucho tiempo a mejorar la eficiencia energética, y el campo se está expandiendo rápidamente ".
Por último, él dijo, las normas también podrían modificarse para generadores piezoeléctricos y otros sistemas diseñados para producir electricidad a partir del movimiento mecánico.