Los científicos han dedicado un intenso trabajo en los últimos años a convertir la energía ambiental en electricidad para satisfacer las demandas continuas de una fuente de energía más limpia y sostenible. La recolección de energía mecánica ambiental como método ecológico es una solución prometedora y desempeña un papel importante en la construcción de dispositivos electrónicos portátiles y redes de sensores en la Internet de las cosas (IoT). Un nanogenerador triboeléctrico (TENG) es un autoalimentado, solución viable para convertir la energía mecánica en electricidad y satisfacer específicamente la creciente demanda de Internet de las cosas (IoT).

En el presente trabajo, Di Liu y colaboradores de los Departamentos de Nanoenergía y Nanosistemas, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, y nanociencia y tecnología en China y EE. UU., desarrolló un TENG de próxima generación para obtener una salida de corriente constante mediante el acoplamiento del efecto de triboelectrificación y la ruptura electrostática. Obtuvieron una densidad de carga triboeléctrica (430 µC m ^-2 ), mucho más altos que aquellos con TENG convencional, que estaban limitados por la ruptura electrostática. Los hallazgos del estudio ahora se publican en Avances científicos, promover la miniaturización de sistemas autoamplificados para su uso en IoT y proporcionar una técnica de cambio de paradigma para recolectar energía mecánica.

Los módulos de fuente de alimentación livianos y portátiles con alto rendimiento de almacenamiento de energía son deseables para la tecnología portátil en la ciencia de los materiales. Pueden lograrse convencionalmente integrando directamente un dispositivo de almacenamiento de energía recargable, es decir, una batería o supercondensador en tejidos. La recolección de energía mecánica ha atraído mucha atención tal como se explora a través de las técnicas de generadores electromagnéticos (EMG), nanogeneradores piezoeléctricos (PENG) y nanogeneradores triboeléctricos (TENG).

Si bien los EMG se basan en la ley de inducción electromagnética de Faraday, adecuado para la generación de energía a gran escala, Los PENG pueden convertir pequeñas deformaciones físicas en electricidad en autoalimentado, dispositivos a pequeña escala. Los TENG convencionales han demostrado ser rentables, características limpias y sostenibles, sobre la base de efectos triboeléctricos e inducción electrostática para convertir energía en electricidad. Los TENG también ofrecen ligereza, talla pequeña, una amplia variedad de materiales y alta eficiencia incluso a bajas frecuencias.

Los TENG convencionales se retienen debido a los requisitos de un rectificador (corrector), como un puente rectificador giratorio para generar una salida de CC, lo que limita su portabilidad. Además, Los TENG alimentados por CA requieren blindaje electromagnético a través de la integración del sensor, lo que puede reducir el grado de su acomodación en un dispositivo miniaturizado. La salida pulsada puede dar lugar a un factor de cresta muy alto, que es una métrica clave para la inestabilidad de la salida que influye en el rendimiento del almacenamiento de energía y la electrónica, donde se prefiere la entrada constante. Si bien recientemente se realizó una salida de CC constante utilizando la técnica de nanocontacto deslizante de Schottky, el voltaje de salida era demasiado bajo para impulsar directamente la electrónica. En el presente trabajo, Liu y col. por eso inventó DC-TENG, para abordar estos problemas y generar CC constante acoplando directamente el efecto de triboelectrificación y la ruptura electrostática como una técnica de cambio de paradigma.

El principio de funcionamiento de DC-TENG se basó en la triboelectrificación o transferencia de carga entre dos superficies en contacto en entornos ambientales, asemejándose al mismo principio natural detrás del efecto ámbar y el rayo. Para esto, Liu y col. rayo artificial inducido con un electrodo colector de carga (CCE), electrodo de fricción (FE) y capa triboeléctrica en la configuración DC-TENG de próxima generación. En el experimento, los científicos utilizaron electrodos de cobre tanto para CCE como para FE, y una película de politetrafluoroetileno (PTFE) unida a una lámina acrílica como capa triboeléctrica.

Basado en la alineación inicial entre los electrodos y la película de PTFE, Liu y col. generó una carga eléctrica casi permanente en la película de PTFE. Movieron un control deslizante en el medio para crear un campo electrostático muy alto entre el CCE y la película de PTFE cargada negativamente. Cuando el campo electrostático excedió la rigidez dieléctrica entre ellos en un valor aproximado de 3 kV / mm, el aire cercano se ionizó parcialmente para comenzar a conducir. Esta técnica dio como resultado el flujo de electrones del PTFE al CCE en el experimento para inducir racionalmente la descomposición del aire y crear un rayo artificial.

A diferencia de los TENG convencionales que no aprovecharon la energía de la descomposición del aire, Liu y col. utilizó el CCE para cobrar efectivamente estos cargos. En breve, en su configuración experimental, los electrones en el FE transferidos a PTFE a través de triboelectrificación, luego se transporta al CCE a través de una ruptura electrostática y finalmente al FE a través de un circuito externo. Cuando el control deslizante volvió a su estado inicial en el experimento, no había flujo de corriente en el circuito externo debido a la ausencia de una diferencia de potencial entre la película de CCE y PTFE.

De este modo, los científicos produjeron CC cíclica moviendo periódicamente el control deslizante, midieron la CC resultante de la ruptura dieléctrica unidireccional del capacitor para producir una corriente de conducción continua. Liu y col. mostró que la cantidad de carga recolectada por el DC-TENG a través de la ruptura dieléctrica era mayor que la recolectada por el TENG convencional usando inducción electrostática y apuntó a usar este nuevo paradigma como un prototipo para recolectar la energía del rayo. Tienen la intención de investigar el mecanismo detallado del proceso y formar un modelo teórico preciso en el futuro.

En el presente estudio, Liu y col. diseñó dos modos de DC-TENG:un modo deslizante y un modo giratorio. Para implementar el proceso de deslizamiento, los científicos utilizaron un motor lineal y utilizaron un motor comercial para impulsar el proceso giratorio. Utilizaron imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) para ver los electrodos de nanocables (CCE y FE) en la superficie de PTFE. Cuando movieron el tobogán a lo largo de la capa electrificada, Los científicos capturaron el fenómeno de la descarga de corona como un resplandor verde durante la descomposición del aire entre PTFE y CCE como evidencia sólida de la descomposición del aire durante el funcionamiento del dispositivo.

Midieron el potencial de superficie del PTFE para mostrar la descarga de carga electrostática por ruptura electrostática utilizando un voltímetro electrostático Isoprobe, seguido de la medición de la corriente de cortocircuito y las cargas transferidas del DC-TENG, utilizando un electrómetro programable. Para medir la tensión en circuito abierto del modo deslizante DC-TENG, utilizaron un osciloscopio de dominio mixto; todos los resultados mostraron características de buena salida de CC.

Liu y col. mostró que la densidad de carga inicial del DC-TENG era mayor (330 µC m ^-2 ) que el TENG convencional (~ 70 µC m ^-2 ). Para mejorar la densidad de carga, los científicos introdujeron nanoestructuras en las superficies de PTFE utilizando procesos de plasma acoplados inductivamente para modificar el material y lograr una mejora de la densidad de carga de seis veces a 430 µC m ^-2 . El trabajo mostró que el rendimiento de salida del sistema podría mejorarse mediante una simple optimización estructural de la superficie de la película de PTFE. Cuando Liu et al. midió la corriente de salida a largo plazo del DC-TENG después de 3000 ciclos, la corriente de salida de CC se mantuvo casi estable, confirmando una excelente estabilidad de la configuración.

En paralelo, los científicos midieron de manera similar el rendimiento de salida del modo rotativo DC-TENG. La estructura de la instalación contenía un estator y un rotador, y al igual que el modo deslizante DC-TENG, los Fes y los CCE estaban conectados. Como antes, Los científicos realizaron mediciones para mostrar cómo la generación de electricidad se basaba en la rotación relativa entre el rotor y el estator para un mejor rendimiento en comparación con el DC-TENG convencional.

Debido a su generación continua de salida de CC, Liu y col. aplicaciones demostradas de DC-TENG novedosos para impulsar dispositivos electrónicos sin utilizar un rectificador. Para la funcionalización del dispositivo, los DC-TENG autoalimentados pudieron impulsar la electrónica directamente mediante la conversión de energía mecánica. Como prueba de principio, los científicos formaron un reloj electrónico impulsado directamente por un DC-TENG de modo deslizante y una calculadora científica impulsada por un DC-TENG rotativo. Además, formaron una matriz de bombillas de diodos emisores de luz (LED), que podría iluminarse con el modo giratorio de DC-TENG, y a diferencia del LED impulsado a través de TENG convencional, estas luces LED permanecieron sin parpadear con una luminiscencia constante.

De este modo, Liu y col. logró la conversión de energía mecánica en corriente de salida constante mediante el diseño de DC-TENG de próxima generación basados ​​en el efecto acoplado de triboelectrificación y ruptura electrostática. Utilizaron un modo deslizante DC-TENG y un modo rotativo DC-TENG para demostrar el mecanismo, resultando en un valor de densidad de carga mucho más alto (430 µC m ^-2 ) que el del dispositivo convencional. El factor de cresta del TENG rotativo fue cercano a uno, indicando una salida de corriente constante.

El novedoso DC-TENG es una estrategia eficaz para recolectar energía mecánica y electrónica de potencia o cargar una unidad de almacenamiento de energía directamente sin un rectificador. El cambio de paradigma en la conversión de energía mecánica en electricidad también puede promover la miniaturización de sistemas autoalimentados en dispositivos electrónicos portátiles y redes de sensores en las IoT. Liu y col. Además, visualice el dispositivo como un prototipo para recolectar la energía del rayo en el futuro.

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