Nanogenerador triboeléctrico tejido 2D Core-Shell basado en fibra para una captación de energía de movimiento eficaz

Resultados y discusión

Mediante el uso de la tecnología de torsión en la fabricación textil, se fabricó una fibra compuesta estructural de núcleo-carcasa con alambre de metal como electrodo central e hilos de coser como capas de fricción externas. El 2DW-WTNG se fabricó además tejiendo dos tipos de fibras compuestas estructuradas núcleo-capa a través de un proceso de tejido ortotrópico. La Figura 1a muestra la ilustración estructural del 2DW-WTNG con dos partes iguales. En cada parte del 2DW-WTNG, las fibras compuestas de nailon / cobre dispuestas en una dirección se recogieron como un electrodo, y las fibras compuestas de poliéster / acero dispuestas en la otra dirección se recogieron como el otro electrodo. Se prepararon dos tipos de fibras compuestas utilizando una configuración giratoria casera que funciona como una máquina de torsión en la fábrica. Las imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) mostradas en las Figs. 1a yc revelan el aspecto de la superficie del hilo de nailon inicial con un diámetro de 110 μm y el hilo de poliéster con un diámetro de 200 μm, respectivamente. Las figuras 1d y e son las imágenes ópticas de la fibra compuesta de nailon / cobre preparada y la fibra compuesta de poliéster / acero, respectivamente, a partir de las cuales se puede observar claramente la estructura núcleo-carcasa. La Figura 1f muestra una imagen óptica del 2DW-WTNG final hecho de cuatro grupos de fibras compuestas de nailon / cobre y cuatro grupos de fibras compuestas de poliéster / acero. Con la estructura tejida a lo largo y ancho, se asemeja a una pieza de tela común, y el proceso de fabricación detallado se ilustra en la sección "Métodos".

Se estudia el rendimiento de generación de energía del 2DW-WTNG. Como se muestra en la figura 2a, la parte superior y la parte inferior del 2DW-WTNG se fijaron cara a cara, y la parte superior puede deslizarse hacia la derecha y hacia la izquierda contra la parte inferior. Una vez que se produjo un deslizamiento relativo entre la parte superior y la parte inferior, las superficies de contacto se rozaron entre sí. Dado que el poliéster es más triboeléctricamente negativo que el nailon según la serie triboeléctrica, los electrones se inyectan del nailon en el poliéster, lo que produce cargas triboeléctricas positivas en la superficie del nailon y cargas negativas en la superficie del poliéster. Cuando la parte superior se deslizó hacia la derecha y la superficie de contacto se deslizó a una posición desalineada como se muestra en la etapa I, el campo eléctrico neto surgió como resultado de cargas triboeléctricas no compensadas en las regiones desalineadas, impulsando electrones libres desde el electrodo en poliéster moviéndose hacia el electrodo en nailon hasta que el campo eléctrico fue filtrado por las cargas inducidas en los electrodos. Cuando la parte superior continuó deslizándose hacia la derecha, la superficie de contacto se alineó y las cargas triboeléctricas de signos opuestos se equilibraron completamente, lo que provocó un reflujo de los electrones libres inducidos (etapa II). A medida que avanzaba el deslizamiento hacia la derecha, la superficie de contacto se devolvía a la posición desalineada y los electrones libres se impulsaban desde el electrodo de poliéster al electrodo de nailon como se muestra en la etapa III. En consecuencia, se completó un ciclo del proceso de generación de electricidad para el 2DW-WTNG. Beneficiado del diseño de rejilla con estructura de interfase entre fibra compuesta de nailon / cobre y fibra compuesta de poliéster / acero, la carga se transfiere alternativamente entre dos electrodos durante este proceso. Experimentalmente, la situación de contacto inicial depende de cómo se coloquen la parte superior e inferior. Sin embargo, no influirá en la salida del 2DW-WTNG. Debido a la misma estructura de rejilla, la situación de contacto inicial no hace ninguna diferencia en el valor del pico de salida, pero cambia la dirección del pico de salida. Si la situación de contacto inicial es positiva a positiva, la situación de contacto primero pasará de positivo a negativo y luego de positivo a positivo con un pico de salida positivo seguido de un pico de salida negativo. Por el contrario, si la situación de contacto inicial es positiva a negativa, la situación de contacto primero pasará de positivo a positivo y luego de positivo a negativo con un pico de salida negativo seguido de un pico de salida positivo.

Características de generación de energía del 2DW-WTNG. un Proceso global del mecanismo de generación de electricidad. b Corriente de salida y c voltaje de salida del 2DW-WTNG. Las inserciones en b y c son vistas ampliadas de la corriente de salida y el voltaje de salida. d Corriente (círculo sólido) y densidad de potencia (círculo abierto) del 2DW-WTNG con diferentes resistencias de carga

Se probó un 2DW-WTNG con un tamaño de 15 mm × 15 mm y un ancho de rejilla de 7 mm moviéndolo periódicamente hacia adelante y hacia atrás. El método de medición detallado se ilustra en la sección "Métodos". Con un desplazamiento de deslizamiento de 8 mm y una velocidad de deslizamiento de 0,15 m / s, el 2DW-WTNG produjo una salida de corriente alterna continua (CA) a una amplitud máxima de 575 nA a una frecuencia constante de 2,7 Hz (Fig. 2b). La tensión de salida alcanzó 6,3 V a la misma frecuencia que la corriente de salida (Fig. 2c). La vista ampliada de la corriente de salida y el voltaje de salida en un ciclo de trabajo se insertan en las Figs. 2b y c, respectivamente. En un ciclo de trabajo, hay dos paquetes de ondas, uno que representa el deslizamiento unidireccional hacia la derecha y el otro que representa el deslizamiento unidireccional hacia la izquierda. Y hay dos pulsos positivos y dos pulsos negativos en cada paquete de ondas. Este resultado está de acuerdo con la estructura del dispositivo que contiene cuatro grupos de fibras compuestas de nailon / cobre y cuatro grupos de fibras compuestas de poliéster / acero como se muestra en la Fig.1f, que verifica además que la salida en modo deslizante está estrechamente relacionada con la rejilla. ancho y número de rejilla en el dispositivo.

Como fuente de alimentación en la práctica, el 2DW-WTNG debe conectarse con cargas externas. Se utilizaron resistencias para investigar la dependencia de la potencia eléctrica de salida en la carga externa. La Figura 2d muestra la corriente instantánea y la densidad de potencia de salida instantánea frente a la resistencia de carga externa. La densidad de potencia de salida instantánea se calculó como la relación entre la potencia de salida instantánea ( I ² R ) y el área del dispositivo. Se encontró que la corriente instantánea disminuyó con el aumento de la resistencia de carga debido a la pérdida óhmica. La densidad de potencia de salida instantánea aumentó a bajas resistencias y alcanzó un valor máximo de 2,33 mW / m ² a la resistencia de carga de 50 MΩ, y luego disminuyó a mayor resistencia. Este resultado indica el potencial del 2DW-WTNG para ser una fuente de alimentación para algunos dispositivos electrónicos personales, especialmente para aquellos con una resistencia de carga de alrededor de docenas de megaohmios.

El rendimiento de salida del 2DW-WTNG en el modo accionado por deslizamiento depende en gran medida de la tasa de separación de la carga triboeléctrica. Para estudiar esto en profundidad, el rendimiento de salida del 2DW-WTNG con un tamaño de 15 mm × 15 mm y un ancho de rejilla de 7 mm se caracterizó por moverse periódicamente a diferentes velocidades de deslizamiento relativas con un desplazamiento de deslizamiento dado de 8 mm. Las Figuras 3a yb muestran la corriente de salida y el voltaje de salida del 2DW-WTNG a una velocidad de deslizamiento promedio de 0.025 m / s, 0.050 m / s, 0.075 m / s, 0.100 m / sy 0.125 m / s, respectivamente. En la curva de corriente y la curva de voltaje, hay un pico de salida completo en 320 ms en movimiento unidireccional y otro pico de salida en 320 ms moviéndose en dirección inversa a una velocidad de deslizamiento de 0.025 m / s. Dentro del mismo tiempo de trabajo, un aumento de la velocidad provocó el aumento del número del pico de salida de uno a 0.025 m / sa cinco a 0.125 m / s. Esto se debe a que una mayor velocidad de deslizamiento acorta el tiempo necesario para un ciclo de trabajo y aumenta aún más el número de ciclos de trabajo en el mismo tiempo de trabajo. El valor pico actual se incrementó de 101 nA a 0.025 m / sa 415 nA a 0.125 m / s, lo que implicaba que un aumento de la velocidad de deslizamiento podría aumentar efectivamente la velocidad de separación de la carga triboeléctrica y conducir a un gran valor pico de salida. . El valor pico de voltaje se incrementó de 3.6 V a 0.025 m / sa 6.6 V a 0.125 m / s, que fue el resultado del circuito eléctrico de medición. Las resistencias de entrada del circuito de medición de voltaje y el 2DW-WTNG formaron un circuito eléctrico RC, y la corriente de fuga en el 2DW-WTNG se redujo al aumentar la velocidad de deslizamiento, lo que resultó en una mejora continua del valor pico de voltaje de salida. Estos resultados demuestran claramente que el valor pico de salida estaba estrechamente relacionado con la velocidad de deslizamiento. Aparte de la velocidad de deslizamiento, el desplazamiento de deslizamiento es otro factor que influyó en gran medida en el rendimiento de salida del 2DW-WTNG. Teniendo en cuenta que la mayor parte de la energía mecánica en el movimiento del cuerpo humano proviene de movimientos de pequeña amplitud, es necesario recolectar la energía mecánica débil. Para explorar este aspecto, el 2DW-WTNG se probó trabajando con un desplazamiento de deslizamiento de 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm y 2,0 mm con una velocidad de deslizamiento fija de 0,1 m / s. La corriente y el voltaje de salida se muestran en las Figs. 3c y d. Su valor máximo de salida aumentó con el desplazamiento deslizante. Con el desplazamiento más corto de 0,4 mm, el valor pico de salida alcanzó 2,3 nA y 0,05 V, respectivamente, exhibiendo su capacidad de captar energía mecánica de pequeños movimientos. Según el mecanismo de trabajo del 2DW-WTNG en el modo de deslizamiento horizontal, había una transferencia de carga alterna al deslizarse sobre una rejilla. Por lo tanto, es prometedor mejorar aún más la salida del 2DW-WTNG en modo deslizante al reducir el ancho o el diámetro de las correas tejidas o fibras tejidas a una escala más pequeña.

Rendimiento de generación de energía del 2DW-WTNG bajo diferentes velocidades de deslizamiento relativas y desplazamientos de deslizamiento relativos. un Corriente de salida y b El voltaje de salida del 2DW-WTNG varió con las velocidades de deslizamiento de 0.025 m / s, 0.050 m / s, 0.075 m / s, 0.100 m / sy 0.125 m / sa un desplazamiento de deslizamiento dado de 8 mm. c Corriente de salida y d El voltaje de salida del 2DW-WTNG varió con los desplazamientos de deslizamiento de 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm y 2,0 mm a una velocidad de deslizamiento dada de 0,100 m / s

Teniendo en cuenta la complejidad de las actividades humanas, la energía del movimiento corporal puede provenir de diferentes direcciones. Por lo tanto, un WTNG calificado debería poder recolectar energía de los movimientos corporales en diferentes direcciones. En otras palabras, se espera que un aerogenerador que trabaja en el modo de deslizamiento plano funcione a lo largo de direcciones de deslizamiento arbitrarias. Como se muestra en la Fig. 4a, dos partes del 2DW-WTNG se colocaron cara a cara y la parte superior se pudo deslizar sobre la parte inferior a lo largo de la X -eje. Manteniendo la dirección de movimiento, la rotación de la parte superior resultó en un ángulo ( θ ) entre la dirección de deslizamiento y un lado de la parte superior. Aquí, el θ representaba esencialmente la orientación de trabajo relativa entre la parte superior y la parte inferior del 2DW-WTNG, lo que requería que el 2DW-WTNG pudiera trabajar en diferentes orientaciones de trabajo relativas. Para dilucidar esto, el 2DW-WTNG se probó en un conjunto de θ valores (0 °, 10 °, 20 °, 30 °, 40 ° y 50 °) impulsados ​​por el motor lineal a una velocidad de deslizamiento de 0,10 m / sy un desplazamiento de deslizamiento de 10 mm. Su corriente de salida y voltaje de salida a diferentes θ se muestran en las Figs. 4b y c. El dispositivo generó una corriente de salida de 134,45 nA y un voltaje de salida de 2,23 V respectivamente en una orientación de trabajo relativa de 50 °. Mientras tanto, debido a la simetría en el plano, la corriente de salida y el voltaje de salida a 40 ° estaban muy cerca de los de 50 °. Aunque la corriente de salida y el voltaje de salida disminuyeron levemente a medida que θ aumenta como resultado de la disminución del área de fricción efectiva causada por las rejillas desajustadas entre la parte superior e inferior del 2DW-WTNG, estos resultados experimentales validaron fuertemente que el 2DW-WTNG podría funcionar normalmente en diferentes orientaciones de trabajo. Beneficiado de la fibra compuesta cilíndrica, su superficie lisa hizo que el deslizamiento se volviera continuo y reposado, en lugar del deslizamiento oscilante en las rejillas estrechas con borde obviamente elevado hecho por proceso litográfico. De manera similar, si se aplicó un movimiento externo a lo largo de una dirección arbitraria en el plano en la parte superior del 2DW-WTNG, se deslizó a lo largo de la dirección del movimiento y se frotó con la parte inferior, y por lo tanto, la energía del movimiento podría recolectarse y convertirse en electricidad. .

Adaptabilidad del 2DW-WTNG trabajando en direcciones arbitrarias en el plano. un Diagrama esquemático del 2DW-WTNG trabajando en diferente orientación relativa. b Corriente de salida y c voltaje de salida del 2DW-WTNG en diferente orientación relativa

Como recolector de energía, la salida del 2DW-WTNG debe ser lo suficientemente alta para alimentar algunos dispositivos electrónicos. Como se muestra en la Fig. 5a, el 2DW-WTNG se conectó con un puente rectificador y luego se conectó con dos circuitos derivados. Con el puente rectificador, la salida de CA del 2DW-WTNG se transformó en una salida de corriente continua (CC). La señal de CC rectificada se muestra en la Fig. 5b. Al conectar el puente rectificador al primer circuito derivado, la señal de CC rectificada se utilizó directamente para iluminar el LED rojo como se muestra en el recuadro y en el archivo adicional 1:Video S1. Cuando el puente rectificador se conectó al segundo circuito derivado, la electricidad del 2DW-WTNG cargó un capacitor comercial de 0.47 μF. La curva de carga se muestra en la Fig. 5c y su correspondiente cantidad de carga almacenada en el condensador se muestra en el recuadro. El condensador se cargó a 1,84 V en 1 min y la densidad de carga correspondiente alcanzó 3,84 mC / m ² . Estas dos pruebas indicaron que, como recolector de energía, el 2DW-WTNG no solo podría usarse como una fuente de alimentación de emergencia conveniente, sino que también podría alimentar energía en una celda de almacenamiento. Además, la estabilidad del 2DW-WTNG es un factor esencial para asegurar sus aplicaciones prácticas. Aquí, se probó la estabilidad del 2DW-WTNG haciéndolo funcionar continuamente durante 12 ha una velocidad de deslizamiento de 0,1 m / sy un desplazamiento de deslizamiento de 8 mm. Las curvas de corriente en 10 s por cada hora se muestran en la Fig. 5d, y se pueden encontrar pocos cambios en el valor de la corriente de salida después de 12 h de trabajo continuo, mostrando un rendimiento de generación de energía altamente estable. Además, para demostrar la versatilidad del 2DW-WTNG en la captación de energía en varios tipos, se realizó un grupo de mediciones eléctricas en el 2DW-WTNG. Como se muestra en el recuadro de la Fig. 5e, la fricción efectiva ocurre cuando la parte superior del 2DW-WTNG primero contacta verticalmente con la parte inferior del 2DW-WTNG (proceso I), y luego se desliza horizontalmente sobre el 2DW-WTNG inferior (proceso II). Durante la medición, la operación de contacto-deslizamiento-separación se repitió varias veces, y su corriente de salida se muestra en la Fig. 5e. Para el primer proceso de fricción de contacto vertical, hubo un pico de salida alto pero estrecho, y luego para el siguiente proceso de fricción de deslizamiento horizontal, hubo un pico bajo pero ancho. En el último proceso de separación vertical para el siguiente ciclo de medición, debería aparecer un pico de salida alto pero estrecho, pero faltaba. Esto se puede atribuir a dos razones. Una es que la parte superior del 2DW-WTNG se ha deslizado hacia la parte inferior opuesta del 2DW-WTNG, y el potencial eléctrico estaba casi equilibrado. La otra es que el último proceso de separación vertical fue bastante lento, por lo que el potencial eléctrico alcanzó rápidamente el equilibrio en el aire. El análisis sintético confirmó que estos dos tipos de picos de corriente de salida eran consistentes con las características de los dos modos de trabajo de 2DW-WTNG, mostrando su fuerte adaptabilidad para captar energía de la presión positiva vertical y la fuerza tangencial horizontal en los movimientos del cuerpo humano.

Aplicación del 2DW-WTNG. un Circuito de rectificación con dos circuitos derivados en el terminal de salida. b Señal de corriente de salida rectificada. El recuadro es una imagen óptica de un LED rojo alimentado por la señal de corriente rectificada. c Curva de carga para un condensador comercial de 0,47 μF cargado por la corriente rectificada. El inserto son las cargas de salida correspondientes almacenadas en el condensador. d Corriente de salida del 2DW-WTNG en funcionamiento continuo durante 12 h. e La corriente de salida del 2DW-WTNG funciona en dos modos de trabajo diferentes, lo que demuestra la versatilidad del 2DW-WTNG para eliminar la energía del movimiento del cuerpo humano. El proceso de trabajo se muestra en el inserto

Archivo adicional 1: Video S1. Video de encender instantáneamente un LED rojo. (AVI 1334 kb)