Nanogenerator

Nanogenerator es una tecnología que convierte mecánica/energía térmica como producidos por el cambio físico en pequeña escala en electricidad. Nanogenerator tiene tres enfoques típicos: piezoeléctrico, triboeléctrico, y piroeléctrico nanogenerators. Tanto los nanogenerators piezoeléctricos y triboeléctrico puede convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Sin embargo, puede utilizarse el nanogenerators piroeléctrico para cosechar energía térmica de un dependiente del tiempo temperatura fluctuación.

Nanogenerator piezoeléctrico

A nanogenerator piezoeléctrico es un recolección de energía dispositivo de conversión de la energía cinética externa en una energía eléctrica basada en la conversión de energía de nanoestructurados piezoeléctrico material. Aunque su definición puede incluir cualquier tipo de dispositivos de recolección con nano-estructura convertir a los diferentes tipos de la energía del ambiente (por ejemplo de energía energía solar y energía térmica), en la mayoría de las veces se utiliza para indicar específicamente la energía cinética cosecha dispositivos utilizando la escala nano piezoeléctrico material después de su primera introducción en 2006.

Aunque todavía en la etapa temprana del desarrollo, ha sido considerado como un potencial avance hacia la miniaturización de la cosechadora de energía convencional, llevando posiblemente la fácil integración con los otros tipos de máquina segador de energía convertir a los diferentes tipos de energía y el funcionamiento independiente de los dispositivos electrónicos móviles con las preocupaciones reducidas de la fuente de energía, por lo tanto más.

Mecanismo

Principio de funcionamiento de nanogenerator donde un nanocable individual se somete a la fuerza ejercida perpendicularmente a la dirección creciente del nanocable. (a) una punta de popa se barre a través de la punta de la nanocable. Sólo negativamente cargado parte permitirá que la corriente fluya a través de la interfaz. (b) el nanocable está integrado con el contraelectrodo con reja de punta-como popa. Como de (a), los electrones son transportados desde la porción comprimida de nanocable al electrodo contador por contacto de Schottky.

Principio de funcionamiento de nanogenerator donde un nanocable individual se somete a la fuerza ejercida paralelo a la dirección creciente del nanocable

El principio de funcionamiento de nanogenerator será explicado por 2 casos diferentes: la fuerza ejercida perpendicular y paralelo al eje de la nanocable.

El principio de funcionamiento para el primer caso se explica por un crecido verticalmente nanocable sometido a la punta moviendo lateralmente. Cuando un piezoeléctrico estructura está sometida a la fuerza externa por la punta móvil, la deformación se produce a través de la estructura. El efecto piezoeléctrico se creará el campo eléctrico dentro de la nanoestructura; la parte estirada con la cepa positiva exhibirá el potencial eléctrico positivo, mientras que la parte comprimida con la cepa negativa mostrará el potencial eléctrico negativo. Esto es debido al desplazamiento relativo de cationes con respecto a aniones en su estructura cristalina. Como resultado, la punta de la nanocable tendrá una distribución potencial eléctrica en su superficie, mientras que la parte inferior de la nanocable es neutralizada desde tierra. El máximo voltaje generado en el nanocable puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

$V_{\text{max}} = \pm \frac{3}{4(\kappa_0+\kappa)}[e_{\text{33}} - 2(1 + \nu) e_{\text{15}} - 2\nu e_{\text{31}}] \frac{a^3}{l^3} \nu_{\text{max}}$

, donde κ₀ es la permitividad en el vacío, κ es la e constante dieléctrica₃₃, e₁₅ y e₃₁ son los coeficientes piezoeléctricos, ν es la relación de Poisson, una es el radio de la nanocable, l es la longitud del nanocable y ν_Max es la desviación máxima de la punta de la nanocable.

El contacto eléctrico juega un papel importante para bombear los cargos en la superficie de la punta. El contacto Schottky debe ser formado entre el electrodo de contador y la punta de la nanocable desde el contacto óhmico neutralizará el campo eléctrico generado en la punta. Con el fin de formar una efectiva contacto Schottky, la afinidad del electrón(E_a) debe ser menor que el función de trabajo(Φ) del metal componiendo el contraelectrodo. Para el caso de ZnO nanocable con el afinidad del electrón de 4,5 eV, Pt (Φ = 6.1 eV) es un metal adecuado para construir la contacto Schottky. Mediante la construcción de la contacto Schottky, los electrones pasarán al contraelectrodo de la superficie de la punta cuando el electrodo contador está en contacto con las regiones del potencial negativo, mientras que no se generará ninguna corriente cuando está en contacto con las regiones del potencial positivo, en el caso de semiconductores tipo n nanoestructura (semiconductores tipo p estructura exhibirá el fenómeno inverso ya que el agujero es móvil en este caso). La formación de la contacto Schottky también contribuye a la generación de señal de salida de corriente directa en consecuencia.

Para el segundo caso, un modelo con un nanocable crecido verticalmente apilados entre el contacto óhmico en su parte inferior y la contacto Schottky en su parte superior se considera. Cuando se aplica la fuerza hacia la punta de la nanocable, el uniaxial compresiva se genera en el nanocable. Debido a la efecto piezoeléctrico, la punta de la nanocable tendrá un resultado negativo piezoeléctrico potenciales, incrementando la Nivel de Fermi en la punta. Puesto que los electrones entonces fluirá desde la punta hacia abajo a través del circuito externo como resultado, se genera el potencial eléctrico positivo en la punta. El contacto Schottky se esconden y protegen los electrones transportados a través de la interfaz, por lo tanto mantener el potencial en la punta. La fuerza se retira, el efecto piezoeléctrico disminuye, y expresarán los electrones hacia arriba con el fin de neutralizar el potencial positivo en la punta. El segundo caso generará la señal de salida de corriente alterna.

Configuración geométrica

Dependiendo de la configuración piezoeléctrico nanoestructura, la mayor parte de los nanogenerator se pueden categorizar en tres tipos: VING, LING y "Negativo". Aún así, hay una configuración que no caen en las categorías mencionadas, como se indica en otro tipo.

Nanocable vertical integrado Nanogenerator (VING).

Vista esquemática del típico nanocable Vertical integrado Nanogenerator, (a) con contacto pleno y (b) con contacto parcial. Tenga en cuenta que es importante en este último caso la reja en el contraelectrodo.

VING es una configuración tridimensional que consta de una pila de 3 capas en general, que son el electrodo base, crecido verticalmente piezoeléctrico nanoestructura y el contraelectrodo. El piezoeléctrico nanoestructura generalmente se cultiva desde el electrodo base por diversas técnicas de síntesis, que luego se integran con el contraelectrodo en contacto mecánico total o parcial con su punta.

Después el Profesor Zhong Lin Wang de la Georgia Institute of Technology ha introducido una configuración básica de VING en 2006 donde usó una punta del microscopio de fuerza atómica (AFM) para inducir la deformación de una sola vertical ZnO nanocable, el primer desarrollo de VING es seguido en 2007. El primer VING utiliza el contraelectrodo con la superficie periódica de rejilla que se asemejan a las matrices de punta de AFM como un electrodo móvil. Puesto que el contraelectrodo no está en contacto con las puntas de los piezoeléctrico nanocable, su movimiento en el plano o hacia fuera-de-plano producido por la vibración externa induce la deformación de la piezoeléctrico nanoestructura, conduce a la generación de la distribución potencial eléctrica dentro de cada individuo nanocable. Cabe señalar que el contraelectrodo está cubierto con el metal formando la contacto Schottky con la punta de la nanocable, donde sólo la parte comprimida de piezoeléctrico nanocable permitiría que los electrones acumulados atraviesan la barrera entre la punta y el electrodo de contador, en el caso de tipo n nanocable. El encendido y – de la característica de esta configuración muestra su capacidad de generación de generación de corriente directa sin ningún requisito para el exterior rectificador.

En VING con contacto parcial, la geometría del electrodo contador desempeña un papel importante. El contraelectrodo plana no induciría a la deformación suficiente de la piezoeléctrico Nanoestructuras, especialmente cuando el contraelectrodo se mueve por el modo en el plano. Después de la geometría básica que se asemeja a la matriz de AFM Consejos, algunos otros enfoques se han seguido para el fácil desarrollo del contraelectrodo. Grupo del Profesor Zhong Lin Wang han generado contraelectrodo compuesto de ZnO nanorods utilizando la técnica similar usada para sintetizar el ZnO nanocable matriz. Grupo del profesor Sang-Woo Kim de Universidad de Sungkyunkwan (SKKU) y el grupo del Dr. Jae-Young Choi de Instituto de tecnología avanzada Samsung (SAIT) en Corea del sur presentado en forma de cuenco transparente contraelectrodo combinando aluminio anodizado y el galvanoplastia tecnología. También han desarrollado el otro tipo del contraelectrodo mediante el uso de nanotubos de carbono en red pared simple (SWNT) en el substrato flexible, que no es sólo eficaz para la conversión de energía pero también transparente.

El otro tipo de VING también ha sugerido. Aunque comparte la configuración geométrica idéntica con el ya mencionado, tal un VING tiene contacto mecánico completo entre las puntas de los nanocables y el contraelectrodo. Esta configuración es eficaz para aplicaciones donde se ejerce la fuerza en la dirección vertical (hacia el eje c de la piezoeléctrico nanocable), y genera corriente alterna (AC) a diferencia de se con contacto parcial.

Nanocable lateral integrado Nanogenerator (LING).

Vista esquemática del típico nanocable Lateral integrado Nanogenerator

LING es una configuración bidimensional que consta de tres partes: el electrodo de base, el adulto lateralmente piezoeléctrico nanoestructura y el electrodo de metal para el contacto de schottky. En la mayoría de los casos, el espesor de la película de sustrato es mucho más grueso que el diámetro de la piezoeléctrico nanoestructura, así que el individuo nanoestructura se somete a la resistencia a la tracción de pura cepa.

LING es una expansión del generador de alambre (SWG), donde un lateralmente alineadas nanocable está integrado en el substrato flexible. SWG es más bien una configuración científica utilizada para verificar la capacidad de generación de energía eléctrica de una piezoeléctrico material y se adopta ampliamente en la etapa temprana del desarrollo.

A partir de se con contacto mecánico completo, LING genera la señal eléctrica AC. El voltaje de salida puede ser amplificado por construir una matriz de LING conectados en serie sobre el sustrato solo, llevando la adición constructiva de la tensión de salida. Dicha configuración puede conducir a la aplicación práctica de LING para rebuscar energía a gran escala, por ejemplo, las ondas de viento o al mar.

Generadores eléctricos de nanocompuestos (NEG).

Vista esquemática del típico generador eléctrico de nanocompuestos

"NEG" es una configuración tridimensional que consta de tres partes principales: los electrodos de placa de metal, el crecido verticalmente piezoeléctrico nanoestructura y la matriz del polímero que ocupa en el medio en el piezoeléctrico nanoestructura.

NEG fue introducido por Momeni et al. Fue demostrado que NEG tiene una eficacia más alta en comparación a la configuración original de nanogenerator que un nanocable ZnO será doblado por una punta AFM. También está demostrado que proporciona una fuente de energía con mayor sostenibilidad.

Otro tipo. La configuración geométrica de tela-como se ha sugerido por el Profesor Zhong Lin Wang en 2008. El piezoeléctrico nanocable se cultiva verticalmente en los dos microfibras en la dirección radial, y ellos están entrelazadas para formar un nanogenerator. Uno de los microfibers está cubierto con el metal para formar un contacto de schottky, sirviendo como el contraelectrodo de se. Como se estira la microfibra movible, la deformación de la nanoestructura se produce en el microfiber estacionario, lo que resulta en la generación de voltaje. Su principio de funcionamiento es idéntico al se con contacto mecánico parcial, generando una señal eléctrica DC.

Materiales

Entre varios piezoeléctrico materiales estudiados para el nanogenerator, muchas de las investigaciones se han centrado en los materiales con estructura de Wurtzita tales como ZnO, CdS y GaN. La mayor ventaja de material tesis surge de la técnica de fabricación fácil y rentable, síntesis hidrotermal. Puesto que el síntesis hidrotermal puede llevarse a cabo en un ambiente de baja temperatura debajo de 100° C además de crecimiento vertical y cristalino, estos materiales pueden ser integrados en varios substratos con menor preocupación por sus características físicas como un punto de fusión.

Esfuerzos para mejorar la piezoelectricidad del individuo nanocable también condujo al desarrollo de otros piezoeléctrico materiales basados en Estructura de Wurtzita. Profesor Zhong Lin Wang del Instituto de tecnología de Georgia presentó ZnO tipo p nanocable. A diferencia de la semiconductores tipo n nanoestructura, la partícula móvil en p-type es un agujero, por lo tanto el comportamiento de schottky es al revés del tipo n caso; se genera la señal eléctrica de la porción de la nanoestructura donde se acumulan los agujeros. Se demuestra experimentalmente ese tipo p ZnO nanocable puede generar la señal de salida cerca de 10 veces el de tipo n ZnO nanocable.

De la idea de que el material con estructura perovskita es conocido por tener más eficaz piezoeléctrico característica comparado con estructura de Wurtzita, Titanato de bario (BaTiO₃) nanocable se ha estudiado por el profesor Min-Feng Yu de Universidad de Illinois en Urbana Champaign. La salida de la señal se encuentra en más de 16 que el tiempo de un similar ZnO nanocable.

Profesor Liwei Lin de Universidad de California en Berkeley ha sugerido que PVDF puede también ser aplicado para formar una nanogenerator. Siendo un polímero, PVDF utiliza un electrospinning campo cercano para su fabricación, que es más bien una técnica diferente en comparación con otros materiales. Las nanofibras se pueden escribir directamente en el substrato controlando el proceso, y esta técnica se espera que se aplicará para formar autoamplificado textil basado en nanofibras.

Comparación de los materiales reportados para el año 2010 se da en la siguiente tabla.

Material	Tipo	Geometría	Voltaje de salida	Potencia de salida	Síntesis	Investigado en
ZnO (tipo n)	Wurtzita	D: ~ 100 nm, L: 200 ~ 500 nm	VP= ~ 9 mV @ R = 500 MΩ	~0.5 pW por ciclo (estimado)	CVD, proceso hidrotermal	Georgia Tech.
ZnO (tipo p)	Wurtzita	D: ~ 50 nm, L: ~ 600 nm	VP= 50 ~ 90 mV @ R = 500 MΩ	5 ~ 16.2 pW por ciclo (calculado)	CVD	Georgia Tech.
ZnO-ZnS	Wurtzita (heteroestructura)	No se indica	VP= ~ 6 mV @ R = 500 MΩ	~0.1 pW por ciclo (calculado)	Aguafuerte y evaporación térmica	Georgia Tech.
GaN	Wurtzita	D: 25 ~ 70 nm, L: 10 ~ 20 μm	VAVG= ~ 20 mV, VMax= ~0.35 V @ R = 500 MΩ	~0.8 pW por ciclo (promedio, calculado)	CVD	Georgia Tech.
CdS	Wurtzita	D: ~ 100 nm, L: 1 μm	VP= ~ 3 mV	No se indica	PVD, proceso hidrotermal	Georgia Tech.
BaTiO3	Pervoskite	D: ~ 280 nm, L: ~ 15 μm	VP= ~ 25 mV @ R = 100 MΩ	~0.3 aJ por ciclo (indicado)	Alta temperatura de la reacción química	UIUC
PVDF	Polímero	D: 0.5 ~ 6.5 μm, L: 0,1 ~ 0.6 mm	VP= 5 ~ 30 mV	pW 2.5 ~ 90 pW por ciclo (calculado)	Electro spinning	UC Berkeley

Aplicaciones

Nanogenerator pretende ser aplicado para los varios usos donde existe la energía cinética periódica, como las ondas de viento y mar en gran escala para el movimiento de los músculos por el latido de un corazón o inhalación del pulmón en pequeña escala. Las aplicaciones más factibles son las siguientes.

Autoalimentado dispositivos nano/micro. Una de las posibles aplicaciones de nanogenerator es independiente o una fuente de energía suplementaria a nano/micro dispositivos consumiendo la cantidad relativamente baja de energía en un estado donde la energía cinética se suministra continuamente. Un ejemplo ha sido introducido por el grupo del Profesor Zhong Lin Wang en 2010 por el pH autoalimentado o sensor UV integrado VING con un voltaje de salida de 20 ~ 40 mV en el sensor.

Aún así, la energía eléctrica convertida es relativamente pequeña para el funcionamiento de los dispositivos nano/micro; por lo tanto la gama de su aplicación aún está delimitada como fuente de energía suplementaria a la batería. El avance se busca mediante la combinación de la nanogenerator con los otros tipos de dispositivos de recolección de energía, tales como célula solar o cosechadora de energía bioquímica. Este enfoque se espera que contribuya al desarrollo de la fuente de energía adecuada para la aplicación donde es crucial, tal como la operación independiente Smartdust.

Sistemas inteligentes usables. El equipo integrado o de los textiles con la piezoeléctrico la fibra es una de las posibles aplicaciones de la nanogenerator. La energía cinética del cuerpo humano se convierte a la energía eléctrica a través de la piezoeléctrico las fibras y pueden aplicarse posiblemente para suministrar los dispositivos electrónicos portátiles tales como sistema de vigilancia de salud atado con el Sistemas inteligentes usables. El nanogenerator como VING puede integrarse fácilmente en el zapato empleando el movimiento andante del cuerpo humano.

Otra aplicación similar es una piel artificial de generación de energía. Grupo del Profesor Zhong Lin Wang ha demostrado la posibilidad mediante la generación de voltaje de CA de 100 mV de la SWG flexible conectado al hámster corriendo.

Dispositivos transparentes y Flexible. Algunos de los piezoeléctrico nanoestructura puede ser formada en diversos tipos de sustratos, como sustrato orgánico flexible y transparente. Los grupos de investigación en SKKU (Grupo del profesor Sang-Woo Kim) y SAIT (Grupo del Dr. Jae-Young Choi) han desarrollado el nanogenerator transparente y flexible que puede ser utilizado para el sensor táctil autoamplificado posiblemente y anticipó que el desarrollo puede extenderse a los dispositivos de pantalla táctil energéticamente eficientes. Se está ampliando su foco de investigación para mejorar la transparencia del dispositivo y la rentabilidad mediante la sustitución de indio-óxido de estaño (ITO) electrodo con una grafeno capa.

Receptor de energía implantable telemétrica. El nanogenerator basado en ZnO nanocable puede ser aplicado para dispositivos implantables desde ZnO No sólo es bio-compatibles pero también pueden ser sintetizados en el sustrato orgánico, representación de la nanogenerator bio-compatibles en la general. El dispositivo implantable integrado con el nanogenerator puede ser operado por recibir la vibración ultrasónica externa fuera del cuerpo humano, que se convierte en la energía eléctrica por el piezoeléctrico nanoestructura.

Nanogenerator triboeléctrico

Un resumen sobre los progresos realizados en la densidad de potencia de salida de nanogenerators triboeléctrico dentro de 12 meses.

A nanogenerator triboeléctrico es un recolección de energía dispositivo que convierte la energía mecánica externa en electricidad por una conjunción de Efecto triboeléctrico y la inducción electrostática. Este nuevo tipo de nanogenerator fue demostrada en primer lugar en el grupo del Prof. Zhong Lin Wang en Georgia Institute of Technology en el año de 2012. En cuanto a esta unidad de generación de energía, en el circuito interno, se crea un potencial por el efecto triboeléctrico debido a la transferencia de carga entre dos láminas delgadas orgánico/inorgánico que exhiben tribo-polaridad opuesta; en el circuito externo, los electrones son conducidos fluya entre dos electrodos en los lados traseros de las películas con el fin de equilibrar el potencial. Puesto que los materiales más útiles para TENG son orgánicos, también es llamado nanogenerator orgánico, que es la primera de la utilización de materiales orgánicos para la recolección de energía mecánica.

Desde el primer informe de la TENG en enero de 2012, la densidad de potencia de salida de TENG ha sido mejorado para cinco órdenes de magnitud dentro de 12 meses. La densidad de energía del área alcanza 313 W/m2, densidad de volumen alcanza 490 kW/m3, y ha demostrado una eficacia de conversión de ~ 60%. Además de la actuación de salida sin precedentes, esta nueva tecnología de energía también tiene una serie de otras ventajas, como bajo costo de producción y fabricación, excelente robustez y fiabilidad, respetuoso del medio ambiente y así sucesivamente. El nanogenerator triboeléctrico puede aplicarse para cosechar todo tipo energía mecánica que está disponible pero desperdiciado en nuestra vida cotidiana, como el movimiento humano, caminando, vibración, disparo mecánico, neumático rotativo, viento, fluir agua y mucho más.

El nanogenerator triboeléctrico tiene tres modos de operación básicos: modo de contacto-separación vertical, modo de desplazamiento en el plano y modo de electrodo. Tienen diferentes características y son adecuados para diferentes aplicaciones

Mecanismos y modos básicos

Modo de contacto-separación vertical

Modo de contacto-separación vertical de nanogenerator triboeléctrico

El mecanismo de trabajo de la nanogenerator triboeléctrico puede describirse como el cambio periódico de la potencial diferencia inducida por la separación de ciclo y vuelva a tocar los cargos triboeléctrico opuesto en las superficies internas de las dos hojas. Cuando se aplica una agitación mecánica en el dispositivo doblar o presionarlo, las ampollas de las superficies de las dos hojas entrará en contacto cercano y la transferencia de carga comenzará, dejando a un lado de la superficie con cargas positivas y la otra con cargas negativas. Esto es sólo el Efecto triboeléctrico. Cuando se suelta la deformación, las dos superficies con cargas opuestas se separarán automáticamente, para que éstos frente a los cargos de triboelectrc generará una campo eléctrico en el medio y así inducir una diferencia de potencial a través de los electrodos superiores e inferiores. Con el fin de la pantalla esta diferencia de potencial, los electrones serán conducidos a fluir de un electrodo al otro a través de la carga externa. La electricidad generada en este proceso continuará hasta que los potenciales de los dos electrodos volver otra vez. Posteriormente, cuando las dos hojas se pulsan otra vez hacia el otro, la diferencia de potencial triboeléctrico-carga-inducida comenzará a disminuir a cero, para que los cargos transferidos fluirá a través de la carga externa, para generar otro actual el pulso en la dirección opuesta. Cuando esta deformación mecánica periódica se prolonga, la corriente alterna Se generará continuamente señales (AC).

En cuanto al par de los materiales en contacto y generar cargos triboeléctrico, al menos uno de ellos necesita ser un aislador, para que los cargos triboeléctrico no puede llevarse a cabo lejos pero permanecerá en la superficie interna de la hoja. Luego, estos cargos triboeléctrico inmóviles pueden inducir flujo de electricidad AC en la carga externa bajo el cambio periódico de distancia.

Modo de desplazamiento lateral

Modo de desplazamiento lateral de triboeléctrico nanogenerator

Hay dos procesos básicos de fricción: contacto normal y deslizamiento laterales. Hemos demostrado aquí un TENG diseñado basado en el plano de deslizamiento entre las dos superficies en dirección lateral. Con un intensivo triboelectrificación facilitado por resbalar la fricción, un periódico cambio en el área de contacto entre dos superficies conduce a una separación lateral de los centros de carga, que genera una caída de tensión para conducir el flujo de electrones en la carga externa. El mecanismo de generación de electricidad inducida por el deslizamiento es representado esquemáticamente en la figura. En la posición original, las dos superficies poliméricas completamente se superponen e íntimamente en contacto con los demás. Debido a la gran diferencia en la capacidad de atraer electrones, la triboelectrificación dejará una superficie con carga neta positiva y la otra con cargas negativas netas con densidad igual. Puesto que el tribo-las cargas en los aisladores se distribuirán solamente en la capa superficial y no se filtró por un período prolongado de tiempo, la separación entre la superficie cargada positivamente y negativamente cargado es insignificante en esta posición se superponen, y por lo tanto habrá poco eléctrico potencial caída a través de los dos electrodos. Una vez que la placa superior con la superficie cargada positivamente comienza a deslizarse hacia afuera, se inicia la separación del cargo en el plano debido a la disminución de la superficie de contacto. Los cargos separados generará un campo eléctrico señalando desde la derecha a la izquierda casi paralelo a las placas, induciendo un mayor potencial en el electrodo superior. Esta diferencia de potencial conducirá un flujo de corriente desde el electrodo superior al electrodo de fondo para generar una caída potencial eléctrica que cancela el potencial tribo-carga-inducida. Debido a la distancia vertical entre la capa del electrodo y la superficie polimérica tribo-cargado es insignificante en comparación a la distancia de separación de carga lateral, el importe de las cargas transferidas en los electrodos equivale a aproximadamente a la cantidad de los cargos separados en cualquier desplazamiento deslizante. Por lo tanto, el flujo de corriente continuará con la continuación del proceso de desplazamiento continúa sigue aumentando los cargos separados, hasta que la placa superior se desliza completamente fuera de la placa inferior y las superficies tribo-cargado completamente separadas. Debe determinarse la corriente medida por la tasa en la cual las dos placas son ser deslizadas aparte. Posteriormente, cuando la placa superior se revierte a deslizarse hacia atrás, los cargos separados empieza a ponerse en contacto otra vez pero no aniquilación debido a la naturaleza aislante de los materiales de polímero. Los cargos transferidos redundantes en los electrodos fluirá a través de la carga externa con el aumento de la zona de contacto, con el fin de mantener el equilibrio electrostático. Esto contribuirá a un flujo de corriente desde el electrodo inferior al electrodo superior, junto con la segunda que mitad del ciclo del deslizamiento. Una vez que las dos placas alcancen la posición de superposición, la superficies cargadas entrar completamente en contacto con otra vez. No habrá ningún cargo transferido a la izquierda en el electrodo y el dispositivo devuelve al primer estado. En este ciclo, los procesos de desplazamiento--de hacia fuera y hacia dentro son simétricos, entonces se debe esperar un par de picos de corriente alterna simétrica.

El mecanismo de separación en el plano de carga puede trabajar en cualquier un direccional deslizamiento entre dos placas o modo de rotación. En el modo de desplazamiento, introduciendo lineal segmentación reja o circular sobre las superficies de deslizamiento es un medio muy eficaz para la recolección de energía. Con tales estructuras, dos superficies triboeléctrico estampadas pueden llegar a unir completamente mal posición a través de un desplazamiento de sólo una rejilla de unidad de longitud en lugar de toda la longitud de la TENG para así aumentar drásticamente la eficiencia del transporte de las cargas inducidas.

Modo de electrodo

Modo Single-electrodo de nanogenerator triboeléctrico

Un electrodo basado triboeléctrico nanogenerator se presenta como un diseño más práctico y viable para algunas aplicaciones como la punta de los dedos conducido triboeléctrico nanoagenerator. El principio de funcionamiento de la TENG electrodo se muestra esquemáticamente en la figura por el acoplamiento de electrificación contacto e inducción electrostática. En la posición original, las superficies de la piel y PDMS completamente en contacto con uno al otro, resultando en transferencia de carga entre ellos. Según la serie triboeléctrico, electrones fueron inyectados de la piel para el PDMS desde el PDMS es más triboelectrically negativa y piel, que es el proceso de electrificación contacto. Los cargos triboeléctrico producidos con polaridades opuestas son totalmente equilibrado/proyectado, que no hay flujo de electrones en el circuito externo. Una vez que ocurre una separación relativa entre piel y PDMS, estos cargos triboeléctrico no pueden ser compensados. Las cargas negativas en la superficie de la PDMS pueden inducir cargas positivas sobre el electrodo ITO, conducir los electrones libres que fluyen desde el electrodo ITO a tierra. Este proceso de inducción electrostática puede dar una señal de voltaje/corriente de salida si la distancia que separa entre la piel tocando y el fondo PDMS es apreciable comparable al tamaño de la película PDMS. Cuando cargas negativas triboeléctrico en el PDMS son evaluadas completamente de las cargas positivas inducidas en el electrodo ITO aumentando la distancia de separación entre el PDMS y piel, no hay salida de señales pueden ser observadas, como se ilustra. Además, cuando la piel se revirtió al enfoque el PDMS, disminuyen las cargas positivas inducidas en el electrodo ITO y los electrones fluirán desde tierra al electrodo ITO hasta la piel y PDMS completamente en contacto con otro nuevo, resultando en una señal de voltaje/corriente de salida invertida. Este es un ciclo completo del proceso de generación de electricidad para la TENG en modo de contacto-separación.

Aplicaciones

TENG es un proceso físico de conversión de agitación mecánica en una señal eléctrica a través de la triboelectrificación (en circuito interno) y los procesos de inducción electrostática (en circuito exterior). Este proceso básico se ha demostrado para dos aplicaciones principales. La primera aplicación es energía cosecha con una ventaja particular de recolección de energía mecánica. La otra aplicación es servir como un sensor activo autoamplificado, porque no necesita una fuente de energía externa para conducir.

Recolección de energía de vibración

La vibración es uno de los fenómenos más populares en nuestra vida cotidiana, de caminar, voces, la vibración del motor, automóvil, tren, avión, viento y muchos más. Existe casi en todas partes y en todo momento. Recolección de energía de vibración es de gran valor sobre todo para la alimentación electrónica móvil. El siguiente basado en los principios fundamentales de nanogenerators triboeléctrico, diversas tecnologías se han demostrado para cosechar energía de vibración. Esta aplicación de triboeléctrico nanogenerator ha sido demostrada en los siguientes aspectos: 1. voladizo basado en la técnica es un enfoque clásico para la recolección de energía mecánica, especialmente de MEMS. Mediante el diseño de la superficie de contacto con las superficies superior e inferior de un voladizo durante la vibración, TENG ha sido demostrada para la recolección de energía de vibración ambiental basado en el modo de contacto-separación. 2. para recoger la energía de una mochila, demostramos una TENG racionalmente diseñado con red rómbica integrada, que mejoró grandemente la corriente total de salida debido a las unidad estructural se multiplicaron las células conectadas en paralelo. 3. con el uso de 4 muelles supporing, un resonador armónico ha sido fabricado según TENG basado en la resonancia inducida por separación de contacto entre los dos materiales triboeléctrico, que ha sido utilizado para cosechar energía de vibración de un motor de automóvil, un sofá y un escritorio. 4. recientemente, un nanogenerator triboeléctrico tridimensional (3D-TENG) ha sido diseñado en base a un modo de hibridación de modo conjunto la separación vertical de contacto y el mode.36 deslizante en el plano que del diseño innovador facilita la cosecha energía de vibración aleatoria en múltiples direcciones sobre una banda ancho.La TENG en 3D está diseñado para la recolección de energía de vibración ambiental, especialmente a bajas frecuencias, en una variedad de condiciones en la vida cotidiana, abriendo así las aplicaciones de TENG en el monitoreo del medio ambiente e infraestructura, carga electrónica portátil e internet de las cosas.

Recolección de energía de movimiento del cuerpo humano

Puesto que hay abundante energía mecánica generada en cuerpos humanos en la vida cotidiana de la gente, podemos hacer uso de la nanogenerator triboeléctrico para convertir esta cantidad de energía mecánica en energía eléctrica, para la carga electrónica portátil y aplicaciones biomédicas. Esto ayudará a mejorar la comodidad de la vida de las personas y ampliar la aplicación de la electrónica personal. Ha demostrado una plantilla de generación de energía envasada con built-in nanogenerators triboeléctrico varias capas flexibles, que permiten cosechar presión mecánica durante la marcha normal. La TENG usado aquí se basa en el modo de contacto-separación y es eficaz en la respuesta a la compresión periódicas de la plantilla. Utilizando la plantilla como una fuente de energía directa, desarrollamos un zapato autoencendido totalmente empaquetado que tiene amplias aplicaciones para fines de visualización y entretenimiento. Un TENG puede sujetarse a la capa interna de una camisa para la recolección de energía de movimiento del cuerpo. Bajo el pie generalmente, la salida máxima de tensión y la densidad de corriente son hasta 17 V y 0.02 μA/cm², respectivamente. La TENG con un tamaño de una sola capa de 2 cm x 7 cm × 0.08 cm se pega en la ropa fue demostrada como fuente de energía sostenible que no sólo puede iluminar directamente 30 diodos emisores de luz (LEDs), pero también puede cargar una batería de iones de litio por aplaudir persistentemente ropa.

Sensores de tensión/fuerza activa autoamplificados

Un nanogenerator triboeléctrico genera automáticamente una salida de tensión y corriente una vez que se activa mecánicamente. La magnitud o la señal de salida significa que el impacto de la deformación mecánica y su comportamiento dependiente del tiempo. Este es el básico principio de la TENG puede aplicarse como un sensor de presión autoamplificados. La señal de salida de voltaje puede reflejar la presión aplicada inducida por una gota de agua. Todos los tipos de TENGs tienen una alta sensibilidad y respuesta rápida a la fuerza externa y mostrar como una señal de pico agudo. Además, se puede detectar la respuesta al impacto de un trozo de pluma (20 mg, ~0.4 Pa en presión de contacto). La señal del sensor con delicadeza puede mostrar estos detalles de todo el proceso. Los resultados actuales muestran que nuestro sensor puede ser aplicado para medir la presión sutil en la vida real.

En un caso que hagamos una gama de matrices de la nanogenerators triboeléctrico, se puede observar un mapa de gran superficie y autoalimentado presión aplicado sobre una superficie. La respuesta de la matriz de TENG con la presión local se midió a través de un sistema de medición multicanal. Existen dos tipos de señales de salida de la TENG: Abra el voltaje de circuito y corriente de corto circuito. El voltaje de circuito abierto sólo está determinado por la configuración final de la TENG después de aplicar un disparo mecánico, que es una medida de la magnitud de la deformación, que se atribuye a la información estática que serán proporcionados por TENG. La corriente de salida depende de la tasa en la cual la carga inducida fluiría, para que la señal actual es más sensible al dinámico proceso de cómo se aplica la activación mecánica.

El sensor de presión activa y la red de sensores integrados basados en el efecto triboeléctrico tienen varias ventajas sobre los sensores de presión pasiva convencional. En primer lugar, el sensor activo es capaz de ambos presión estática de detección mediante la tensión de circuito abierto y detección de la presión dinámica usando el cortocircuito actual, mientras que los sensores convencionales son generalmente incapaces de detección dinámica para proporcionar la carga tasa de información. En segundo lugar, la pronta respuesta de los sensores tanto estático y dinámico permite la revelación de detalles acerca de la presión de carga. En tercer lugar, el límite de detección de la TENG para detección dinámica es tan bajo como 2.1 Pa, debido a la alta salida de la TENG. En cuarto lugar, los sensores activos presentados en este trabajo no tiene ningún consumo de energía y ni siquiera podrían combinarse con su recolección funcionalidad para el mapeo de presión autoamplificados de energía. Obras futuras en este campo incluyen la miniaturización del tamaño del pixel para lograr una mayor resolución espacial y la integración de la matriz de tés sobre sustrato completamente flexible para la proyección de imagen de forma adaptativa de presión.

Sensores químicos activos autoamplificados

En cuanto a nanogenerators triboeléctrico, maximizar la generación de la carga en los lados opuestos puede lograrse mediante la selección de los materiales con la mayor diferencia en la capacidad de atraer electrones y cambiando la morfología superficial. En tal caso, la salida de la TENG depende el tipo y concentración de moléculas adsorbidas en la superficie de los materiales triboeléctrico, que puede ser utilizado para la fabricación de sensores químicos y bioquímicos. Como ejemplo, el rendimiento de la TENG depende de la Asamblea de nanopartículas (NPs) sobre la placa de metal. Estas NPs Au montado no sólo actúan como constantes brechas entre las dos placas en condiciones libres de tensión, pero también activar la función de la ampliación de la zona de contacto de las dos placas, que aumentará la producción eléctrica de la TENG. A través de modificación adicional de moléculas de ácido (3-MPA) 3-mercaptopropiónico en el NPs Au montado, la nanogenerator de alto rendimiento puede convertirse en un nanosensor altamente sensible y selectiva hacia Hg²⁺ detección de iones debido a la diferente polaridad triboeléctrico de NPs Au y Hg²⁺ iones. Con su alta sensibilidad, selectividad y simplicidad, el TENG tiene gran potencial para la determinación de Hg²⁺ iones en muestras ambientales. La TENG es un futuro sistema de detección para ambientes extremos inalcanzables y acceso denegado. Como diferentes iones, moléculas y materiales tienen sus polaridades triboeléctrico únicas, esperamos que la TENG puede llegar a ser un sensor de apagado o encendido eléctrico cuando los analitos son selectivamente vinculantes a la superficie del electrodo modificado. Creemos que este trabajo servirá como el trampolín para estudios relacionados TENG y fomentar el desarrollo de TENG hacia otros iones metálicos y biomoléculas como el ADN y las proteínas en el futuro cercano.

Elección de materiales y estructuras superficiales

Exposición conocido el efecto triboelectrificación, de metal, polímeros, seda y madera, casi todo de materiales casi todos. Todos estos materiales pueden ser candidatos para la fabricación de TENGs, para que las opciones de materiales para TENG son enormes. Sin embargo, la capacidad de un material para ganar o perder electrones depende de su polaridad. John Carl Wilcke publicó la primera serie triboeléctrico en un 1757 en cargas estáticas. Un material hacia la parte inferior de la serie, cuando tocó un material cerca de la cima de la serie, alcanzarán una carga más negativa. Los dos más lejos materiales son unos de otros en la serie, la mayor la carga transferida. Al lado de la elección de los materiales de la serie triboeléctrico, la morfología de las superficies puede modificarse mediante técnicas físicas con la creación de pirámides, Plaza o basada en el hemisferio micro o nano-los patrones, que son eficaces para mejorar el área de contacto y, posiblemente, el triboelectrificación. Sin embargo, la estructura desigual creada en la superficie puede aumentar la fuerza de fricción, que posiblemente puede reducir la eficiencia de conversión energética de la TENG. Por lo tanto, una optimización debe ser diseñado para maximizar la eficiencia de conversión.

Las superficies de los materiales pueden ser funcionalizadas químicamente mediante diversas moléculas, nanotubos, nanohilos o nanopartículas, con el fin de potenciar el efecto triboelectrificación. Funcionalización superficial puede cambiar en gran medida la superficie potencial. La introducción de nanoestructuras en las superficies puede cambiar las características locales de contacto, que pueden mejorar la triboelectrificación. Esto implicará una gran cantidad de estudios para probar una variedad de materiales y una amplia gama de nanoestructuras disponibles.

Además de estos materiales puros, los materiales del contacto pueden hacerse de composites, tales inclusión nanopartículas en matriz polimérica. Esto no sólo cambia la electrificación superficial, sino también la permisividad de los materiales para que puedan ser eficaces para la inducción electrostática. Por lo tanto, hay numerosas maneras para mejorar el rendimiento de la TENG desde el punto de vista de los materiales. Esto le da una excelente oportunidad para químicos y científicos de materiales para hacer extenso estudian tanto en la ciencia básica y en la aplicación práctica. En contraste, sistemas de materiales para la célula solar y eléctrica térmica, por ejemplo, son bastante limitados, y no hay muchas opciones para dispositivos de alto rendimiento.

Las superficies de los materiales pueden ser funcionalizadas químicamente mediante diversas moléculas, nanotubos, nanohilos o nanopartículas, con el fin de potenciar el efecto triboelectrificación. Funcionalización superficial puede cambiar en gran medida la superficie potencial. La introducción de nanoestructuras en las superficies puede cambiar las características locales de contacto, que pueden mejorar la triboelectrificación. Esto implicará una gran cantidad de estudios para probar una variedad de materiales y una amplia gama de nanoestructuras disponibles.

Además de estos materiales puros, los materiales del contacto pueden hacerse de composites, tales inclusión nanopartículas en matriz polimérica. Esto no sólo cambia la electrificación superficial, sino también la permisividad de los materiales para que puedan ser eficaces para la inducción electrostática.

Por lo tanto, hay numerosas maneras para mejorar el rendimiento de la TENG desde el punto de vista de los materiales. Esto le da una excelente oportunidad para químicos y científicos de materiales para hacer extenso estudian tanto en la ciencia básica y en la aplicación práctica. En contraste, sistemas de materiales para la célula solar y eléctrica térmica, por ejemplo, son bastante limitados, y no hay muchas opciones para dispositivos de alto rendimiento.

Nanogenerator piroeléctrico

A nanogenerator piroeléctrico es un dispositivo de recolección de energía convirtiendo la energía térmica externa en una energía eléctrica mediante el uso de materiales piro-eléctrico nanoestructurados. Por lo general, recolección de energía termoeléctrica principalmente se basa en el efecto Seebeck que utiliza una diferencia de temperatura entre los dos extremos del dispositivo para la conducción de la difusión de los portadores de carga. Sin embargo, en un entorno que es espacialmente uniforme sin un gradiente de la temperatura, como al aire libre en nuestra vida cotidiana, el efecto Seebeck no puede utilizarse para cosechar energía térmica de una fluctuación de temperatura dependiente del tiempo. En este caso, el efecto piroeléctrico tiene que ser la elección, que se trata de la polarización espontánea en ciertas anisotrópicos sólidos como resultado de la fluctuación de la temperatura. El primer nanogenerator piroeléctrico fue introducido por el Prof. Zhong Lin Wang en el Georgia Institute of Technology en 2012. Cultivando la energía de calor residual, este nuevo tipo de nanogenerator tiene las posibles aplicaciones como sensores inalámbricos, proyección de imagen de la temperatura, el diagnóstico médico y electrónica personal.

Mecanismo

El mecanismo de la nanogenerator piroeléctrico basado en una estructura compuesta de piro-eléctrico nanowries.(al-c) Diagramas esquemáticos de la nanogenerator piroeléctrico con dipolos eléctricos negativos bajo temperatura ambiente (a), calentado (b) y (c) las condiciones de había enfriado. Los ángulos marcados en los diagramas representan los grados que el dipolo podría oscilar como impulsado por fluctuaciones termales estadísticas.

El principio de funcionamiento de nanogenerator piroeléctrico será explicado por 2 casos diferentes: el efecto piroeléctrico primario y el secundario efecto piroeléctrico.

El principio de funcionamiento para el primer caso se explica por el efecto piroeléctrico primario, que describe la carga producida en un caso libre de tensión. El principal efecto piroeléctrico domina la respuesta piroeléctrico PZT, BTO y algunos otros materiales ferroeléctricos. El mecanismo se basa en el bamboleo térmicamente inducida al azar del dipolo eléctrico alrededor de su eje de equilibrio, la magnitud de la cual aumenta con el aumento de temperatura de. Debido a fluctuaciones termales bajo temperatura, los dipolos eléctricos oscilará al azar dentro de un grado de sus respectivos ejes de alineación. Bajo una temperatura fija, la fuerza media total de la forma de polarización espontánea los dipolos eléctricos es constante, resultando en ninguna salida de la nanogenerator piroeléctrico. Si aplicamos un cambio de temperatura en el nanogenerator de temperatura de la habitación a una temperatura más alta, el aumento de temperatura resultará en que los dipolos eléctricos oscilan dentro de un grado mayor de extensión alrededor de sus respectivos ejes de alineación. La polarización espontánea promedio total es reducida debido a la propagación de los ángulos de oscilación. Así se reduce la cantidad de cargas inducidas en los electrodos, resultando en un flujo de electrones. Si el nanogenerator se enfría en vez de calentar, se mejorará la polarización espontánea desde los dipolos eléctricos oscilan dentro de un grado más pequeño de los ángulos de extensión debido a la menor actividad termal. Se incrementa la magnitud total de la polarización y aumentan la cantidad de cargas inducidas en los electrodos. Los electrones entonces fluirá en una dirección opuesta.

Para el segundo caso, la respuesta obtenida piroeléctrico se explica por el efecto piroeléctrico secundario, que describe la carga producida por la cepa inducida por expansión térmica. El efecto piroeléctrico secundario domina la respuesta piroeléctrico en ZnO, CdS y algunos otros materiales de tipo wurzite. La deformación térmica puede inducir a una diferencia de potencial piezoeléctrica a través del material, que puede conducir los electrones que fluyen en el circuito externo. La salida de la nanogenerator se asocia con el coeficiente piezoeléctrico y la deformación térmica de los materiales.La corriente de salida de la nanogenerators piroeléctrico pueda determinarse mediante la ecuación de I=pA(dT/dt), donde p es el coeficiente piroeléctrico, A es el área efectiva de la NG, dT/dt es la tasa de cambio de temperatura.

Aplicaciones

Nanogenerator piroeléctrico se espera para ser aplicado para los varios usos donde existe la fluctuación de temperatura dependiente del tiempo. Una de las aplicaciones posibles de la nanogenerator piroeléctrico se utiliza como un sensor activo, que puede funcionar sin la batería. Un ejemplo ha sido introducido por el grupo del Profesor Zhong Lin Wang en 2012 utilizando un nanogenerator piroeléctrico como el sensor de temperatura autoalimentado para detectar un cambio en temperatura, donde el tiempo de respuesta y el tiempo de restablecimiento del sensor son sobre s 0,9 y 3, respectivamente. En general, el nanogenerator piroeléctrico da un alto voltaje de salida, pero la corriente de salida es pequeño. No sólo puede ser utilizado como una fuente potencial de energía, sino también como un sensor activo para medir la variación de la temperatura.

Véase también

• Batería (electricidad)
• Generador eléctrico
• Sistemas microelectromecánicos
• MicroPower
• Sistemas nanoelectromecánicos
• Smartdust
• Sistemas inteligentes usables

Enlaces externos

• Grupo de investigación del profesor Z. L. Wang Nano en el Georgia Institute of Technology
• Nano Electronic Science & Engineering Laboratory (NESEL) en la Universidad de Sungkyunkwan (SKKU)
• Laboratorio de mecánica de la nanoescala y física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
• LINLAB en la Universidad de California, Berkeley
• Instituto de tecnología avanzada Samsung

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