Marco teórico avanzado para nanogeneradores triboeléctricos de modo contacto mejorando la eficiencia de conversión energética

Resumen

Con la rápida expansión de la electrónica de próxima generación, las fuentes de energía portátiles y eficientes se han convertido en uno de los factores más importantes que obstaculizan el desarrollo del mercado. Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) son candidatos potenciales por sus características insuperables. Aquí analizamos profundamente la potencia y eficiencia de conversión de TENG de modo contacto considerando todo el proceso de conversión energética. Primero, yendo más allá del análisis convencional, se introdujo una fuerza compresiva para derivar un perfil de movimiento más versátil, lo que proporcionó una mejor comprensión del principio de funcionamiento del proceso contacto-separación. Luego, analizamos profundamente la influencia de varios parámetros en su rendimiento. Especialmente, la máxima eficiencia de los TENG puede obtenerse bajo fuerza óptima. Es realista y útil para TENG más eficientes. Además, esta investigación tiene buenas posibilidades de establecer estándares para cuantificar la eficiencia de los TENG, sentando las bases para la posterior industrialización y multifuncionalización de la tecnología TENG.

Antecedentes

La inteligencia artificial y la red en la nube mejoran gradualmente nuestra vida moderna con el rápido desarrollo de electrónica de próxima generación para hogares inteligentes, monitoreo de salud, entretenimiento y monitoreo ambiental. Alimentar estas grandes cantidades de electrónica se ha vuelto una misión imposible utilizando tecnologías de baterías existentes considerando su gran tamaño, vida corta y, especialmente, problemas de carga rápida. Se ha convertido en una de las barreras más importantes para desarrollar fuentes de energía sostenibles adecuadas para electrónica vestible.

Actualmente, los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) basados en la triboelectrificación han demostrado ser una tecnología atractiva para cosechar energía mecánica. Son candidatos prometedores para electrónica vestible por sus numerosas ventajas, incluyendo flexibilidad, rentabilidad, proceso de fabricación simple, protección ambiental y versatilidad. Se han utilizado ampliamente para cosechar energía de energía mecánica ambiental. Además, pueden integrarse con dispositivos vestibles para aplicaciones autoalimentadas. Hasta ahora, muchos métodos se han utilizado para aumentar la potencia, incluyendo morfología de superficie, optimización de materiales, inyección de carga, optimización de estructura y multi-nanogeneradores. A pesar del rápido avance en el rendimiento de salida, falta un modelo definitivo para analizar la eficiencia de conversión energética. Se han publicado varias explicaciones teóricas para diferentes modos de TENG. Sin embargo, la mayoría de análisis no discuten todo el proceso de conversión energética y solo se centran en la potencia de salida. Más importante, mayor potencia de salida no significa mayor eficiencia de conversión energética e incluso puede resultar contraproducente. Esto ha impedido algo el desarrollo de TENG más eficientes debido a la falta de estudio directo sobre la eficiencia de conversión energética.

En este trabajo, analizamos sistemática y directamente la potencia y eficiencia de conversión de TENG de modo contacto considerando todo el proceso. Primero, yendo más allá del análisis convencional, se introdujo una fuerza compresiva para derivar un perfil de movimiento más versátil, lo que proporcionó una mejor comprensión del principio de funcionamiento del proceso contacto-separación. Luego, según las ecuaciones de movimiento, se presentaron ecuaciones explícitas para el rendimiento importante del dispositivo en todo el proceso de contacto y separación. Finalmente, la influencia de propiedades de materiales, parámetros estructurales y factores experimentales en la potencia máxima y especialmente en la eficiencia de conversión energética se investigó sistemáticamente. Podemos obtener la máxima eficiencia y potencia diseñando racionalmente los parámetros, especialmente la fuerza compresiva. Es realista y útil para TENG más eficientes. Importante, tiene buenas posibilidades de establecer los estándares para cuantificar la eficiencia de los TENG, sentando las bases para la posterior industrialización y multifuncionalización de los TENG.

Métodos

El principio básico de funcionamiento de los TENG se basa en la triboelectrificación y la inducción electrostática. Podría clasificarse aproximadamente en dos tipos según los materiales de fricción. Debido a la función de trabajo y la fricción, el material dieléctrico y el conductor se eligen como pares triboeléctricos. Como se muestra en la Fig. 1, la capa superior consiste en electrodo superior (TE) y capa dieléctrica que puede moverse arriba y abajo, mientras que el electrodo inferior (BE) está fijo en el sustrato. Las dos capas están conectadas con una resistencia de carga R. Los procesos de separación y contacto se indican en la Fig. 1a, b, respectivamente. En el proceso de separación, los electrones fluyen al BE desde el TE, y regresan al TE en el proceso de contacto.

Bajo la fuerza aplicada F, la capa superior hará contacto completo con la inferior. El BE tendrá cargas triboeléctricas positivas con densidad de carga superficial σ mientras que la capa dieléctrica tiene las mismas cargas con signo opuesto. En el proceso de separación, la capa superior se separa de la inferior con una distancia x(t). Esto resultará en una diferencia de potencial V(t) entre el TE y BE debido al campo eléctrico. Para compensar V(t), los electrones fluirán entre los dos electrodos a través de R. Por tanto, las cargas del TE son Q mientras que el BE queda con Sσ − Q. La intensidad del campo eléctrico en las dos regiones se da según el teorema de Gauss.

Dentro de la capa dieléctrica:

$${E}_{\mathrm{dielectric}}=-\frac{Q}{S{\varepsilon}_0{\varepsilon}_r}$$ (1)

Dentro del espacio de aire:

$${E}_{\mathrm{air}}=\frac{\sigma_0-Q/S}{\varepsilon_0}$$ (2)

donde ε₀ y ε_r son la permitividad del vacío y la permitividad relativa, respectivamente.

El V(t) debe satisfacer:

$$ V(t)={E}_{\mathrm{dielectric}}d+{E}_{\mathrm{air}}x(t) $$ (3)

De la ley de Ohm, el V(t) es:

$$ V(t)= RI(t)=R\frac{dQ}{dt} $$ (4)

Combinando ecuaciones, obtenemos:

$$ \frac{dQ}{dt}+\frac{d_0+x(t)}{RS{\varepsilon}_0}\times Q=\frac{\sigma x(t)}{R{\varepsilon}_0} $$ (5)

La Ec. (5) es la ecuación gobernante de los TENG. Puede aplicarse a todo el proceso de separación y contacto. Es obvio que x(t) es uno de los factores más importantes de los TENG. Diferente de trabajos previos, construimos la ecuación de movimiento práctica en lugar de asumirla directamente. En este artículo, la ecuación de movimiento en todo el proceso se construye basada en la fuerza compresiva y condiciones experimentales.

Resultados y discusión

Sistema sin resorte

Primero, solo consideramos una fuerza compresiva constante F y la gravedad de la capa superior. La ecuación de movimiento puede obtenerse como sigue (ver Archivo adicional 1: Nota 1 y Figura S1 en el ESM). En la realidad, x(t) siempre tiene un valor máximo x_max y mínimo cero. Así, las ecuaciones de movimiento son:

$$ \left\{\begin{array}{c}\ x(t)=\frac{F- mg}{2m}{t}^2,t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\ \\ {}x(t)={x}_{\mathrm{max}},t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\end{array}\right. $$ (6.1)

$$ \left\{\begin{array}{c}\ x(t)=\frac{F+ mg}{2m}{t}^2,t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\ \\ {}x(t)=0,t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\end{array}\right. $$ (6.2)

Las Ecs. (6.1) y (6.2) representan el proceso de separación y contacto, respectivamente.

Luego podemos obtener la carga transferida. (La derivación detallada está en Archivo adicional 1: Nota 2 en el ESM).

En el proceso de separación:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\exp \left(-\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0}\right)\\ {}\times {\int}_0^t\frac{\sigma \left(F- mg\right){t}^2}{2 mR{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0} dt,t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\end{array}} $$ (7.1)

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\frac{\sigma S{x}_{\mathrm{max}}}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-\left(\frac{\sigma S{x}_{\mathrm{max}}}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-{Q}_0\right)\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}\left(t-{t}_0\right)\right),t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\end{array}} $$ (7.2)

donde \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F- mg\right)} \), y Q₀ = Q(t₀) en Ec. (7.1).

En el proceso de contacto:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\exp \left(-\frac{6m{d}_0t+\left(F+ mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0}\right)\\ {}\times \left(\sigma S+{\int}_0^t\frac{\sigma \left(F+ mg\right){t}^2}{2 mR{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\frac{6m{d}_0t+\left(F+ mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0} dt\right),t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\end{array}} $$ (8.1)

$$ Q(t)={Q}_0\times \exp \left(\frac{d_0{t}_0-{d}_0t}{RS{\varepsilon}_0}\right),t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}} $$ (8.2)

donde \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} \), Q₀ puede calcularse asignando t = t₀ en Ec. (8.1).

Por tanto, la corriente de salida puede derivarse como I(t) = dQ/dt y V(t) = RI(t).

Según los parámetros específicos mostrados en la Tabla 1, podemos obtener resultados de cálculo numérico.

La relación características-tiempo a diferentes R en todo el proceso se muestra en la Fig. 2. Las relaciones carga transferida-tiempo, corriente de salida-tiempo y voltaje de salida-tiempo a diferentes cargas en el proceso de contacto se muestran en Fig. 2a, c, e. Los comportamientos son similares a estudios previos. Pero el proceso de separación rara se estudia. Asumiendo que las cargas superficiales se transfieren completamente al TE en el proceso de separación tras un tiempo largo. Como se muestra en Fig. 2b, en condición de cortocircuito (CC), las cargas en el TE pueden fluir completamente de vuelta al BE cuando la capa superior deja de moverse (t = 2 ms). Las cargas no pueden disminuir a cero en t = 2 ms cuando R es más de 1 MΩ. Mientras que, casi todas las cargas se transfieren al BE cuando R es menos de 10 MΩ en el proceso de separación. Las cargas transferidas en el proceso de contacto son mucho menores que en el de separación. Esto se debe a la fuerza de impulso relativamente pequeña en el proceso de contacto temprano. La relación corriente-tiempo se grafica en Fig. 2d. En condición CC, la corriente pico es casi la misma que en el proceso de separación. Cuando R es mayor, la curva corriente-tiempo tiene dos valores máximos locales, al principio y al final del movimiento. Y la corriente máxima absoluta cae dramáticamente al aumentar la resistencia. Los dos valores máximos locales al principio y final del movimiento se deben a electrones adecuados y movimiento de alta velocidad, respectivamente. El voltaje de salida tiene el mismo perfil que la corriente, pero una tendencia diferente en magnitud, como se muestra en Fig. 2f (ver Archivo adicional 1: Figura S2 para la relación detallada en el ESM). Debe notarse que el valor máximo absoluto de voltaje es mucho menor comparado con el del proceso de separación. Obviamente, el voltaje y la corriente no son simétricos en los procesos de separación y contacto. Combinando ambos procesos, el voltaje y la corriente de salida son alternantes.

Además, la influencia de varios parámetros en la relación entre potencia máxima P_max y resistencia correspondiente se grafica en Fig. 3. Estos parámetros pueden dividirse en material, estructura y condición experimental. Por ejemplo, los parámetros de material incluyen σ y ε_r. Los parámetros estructurales son principalmente tamaño de área S, x_max y d. La fuerza compresiva F es parámetro experimental. Se ve que σ, S, F y x_max influyen grandemente en P_max, como se muestra en Fig. 3a–d. P_max aumenta dramáticamente al aumentar σ, S, F y x_max. Los parámetros σ y S deciden principalmente la cantidad de cargas que pueden transferirse. Los parámetros F y x_max influyen principalmente en las ecuaciones de movimiento. La resistencia óptima correspondiente disminuye con x_max disminuyendo, mientras que rara vez es afectada por σ, S y F. Además, los parámetros d y ε_r rara vez afectan P_max y resistencia correspondiente, como indican Fig. 3e, f. Es el espesor efectivo de la capa dieléctrica d₀ = d/ε_r el que tiene poca influencia en el rendimiento de los TENG. Podemos ajustar estos parámetros para controlar la potencia máxima. Vale notar que la resistencia correspondiente suele ser la resistencia de carga de la electrónica.

Sistema con resorte

Para una condición experimental más popular, se incluye el sistema de resorte. La fuerza compresiva F se aplica periódicamente, como exhibe Fig. 4a. En el proceso de separación (T = t₁), solo hay fuerza restauradora de resortes y gravedad, así F = 0. Mientras en el proceso de contacto (T = t₂ + t₃), se añade la fuerza compresiva F. Y duraría aún después de que las dos capas hagan contacto completo. Las curvas de movimiento se muestran en Fig. 4b. Las ecuaciones de movimiento calculadas y el rendimiento de salida se derivan como sigue. (Archivo adicional 1: Nota 3 en el ESM)

$$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-{x}_{\mathrm{max}}\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right) $$ (9.1)

$$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}+\frac{F}{k}\cos \left({\omega}_0t\right) $$ (9.2)

donde \( {\omega}_0^2=k/m \). Y las Ecs. (9.1) y (9.2) representan el proceso de separación y contacto, respectivamente.

En el proceso de separación:

$$ {\displaystyle \begin{array}{c}Q(t)={\int}_0^t\frac{\sigma {x}_{\mathrm{max}}\left(1-\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right)\right)}{R{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\left(\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}t-\frac{x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\right)\right) dt\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}t+\frac{x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\right)\right),t<{t}_1\end{array}} $$ (10)

En el proceso de contacto:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}}{RS{\varepsilon}_0}t+\frac{Fsin\left({\omega}_0t\right)}{kRS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\right)\\ {}\times \left\{{q}_0+{\int}_0^t\mathit{\exp}\left(\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}}{RS{\varepsilon}_0}t-\frac{Fsin\left({\omega}_0t\right)}{kRS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\right)\right.\ \\ {}\ \\ {}\times \left.\frac{\sigma \left({x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}+\frac{F}{k}\cos \left({\omega}_0t\right)\right)}{R{\varepsilon}_0} dt\right\},t<{t}_2\ \end{array}} $$ (11)

$$ Q(t)={Q}_0\times \mathit{\exp}\left(\frac{d_0}{RS{\varepsilon}_0}\left({t}_0-t\right)\right),t\ge {t}_3 $$ (12)

donde q₀ son las cargas transferidas del BE al TE en el proceso de separación.

La corriente y voltaje de salida pueden calcularse como I(t) = dQ/dt y V(t) = RI(t).

La relación carga transferida-tiempo a diferentes R en todo el proceso se grafica en Fig. 4c. El proceso de transferencia de carga se divide en tres regiones, correspondientes a la fuerza periódica. Región I representa el proceso de separación y el de contacto contiene las regiones II y III. En región I, las cargas se transfieren al TE desde el BE. Las cargas en el TE continúan aumentando. En región II, la dirección del flujo de carga está relacionada con la resistencia. Las cargas en el TE continúan aumentando cuando la resistencia es grande (R ≥ 1 GΩ). Aumentan al máximo y luego disminuyen cuando la resistencia es baja (R ≤ 100 MΩ). Especialmente, cuando R = 0, las cargas continúan disminuyendo en región II. En región III, las cargas en el TE continúan disminuyendo. La corriente de salida correspondiente en todo el proceso se muestra en Fig. 4d. La corriente en los procesos de separación y contacto tiene signo opuesto. Usualmente, el valor máximo de corriente en el proceso de separación es un poco mayor que en el de contacto. Interesantemente, en el proceso de contacto, el valor máximo absoluto de corriente aparece al principio del proceso de contacto o en el momento en que recién hacen contacto. Cuando la resistencia es grande, aparece al principio del proceso de contacto, viceversa. El voltaje de salida aumenta con el tiempo y luego disminuye, como muestra Fig. 4e. El voltaje de salida aparecería como valor negativo en el proceso de contacto. Y el valor absoluto es mucho menor que en el proceso de separación. Estas figuras son consistentes con gráficos experimentales medidos en la literatura. La corriente de salida medida es alternante obviamente, y el voltaje de salida medido suele ser pico-agudo. Las relaciones de potencia instantánea máxima con resistencias en el contacto, separación y todo el proceso se muestran en Fig. 4f. Los TENG alcanzan su potencia instantánea absoluta máxima alrededor de 200 MΩ en los procesos de separación y contacto. Mientras en el proceso de contacto, tiene un valor máximo local adicional alrededor de 0,1 MΩ. Así en todo el proceso, la potencia instantánea obtiene su valor máximo alrededor de 200 MΩ. Se ve que la curva de potencia del proceso de contacto se superpone a la de separación cuando la resistencia es grande. Porque el valor máximo de corriente aparece en la intersección de los dos procesos cuando R ≥ 200 MΩ.

Además, los resultados calculados de P_max y resistencia óptima correspondiente se grafican en Fig. 5. Como indican Fig. 5a–c, la potencia instantánea máxima aumenta al incrementar los parámetros x_max, S y k. Esto puede atribuirse a la mayor velocidad de transferencia de electrones. Al mismo tiempo, la resistencia óptima correspondiente también cambia. La resistencia óptima disminuye con S y k aumentando, pero tendencia inversa con x_max. La influencia de parámetros σ en P_max y resistencia óptima se muestra en Fig. 5d. P_max aumenta rápidamente con σ aumentando, mientras la resistencia óptima se mantiene constante. La resistencia óptima tampoco es afectada por ε_r. Pero al aumentar ε_r, la potencia instantánea máxima aumenta y luego se satura. F tiene casi ninguna influencia en la potencia instantánea máxima y resistencia óptima. En todo el proceso de contacto y separación, F solo afecta el proceso de contacto. Así la corriente máxima en el proceso de separación se mantiene igual. Como ilustra Fig. 5f, la potencia instantánea máxima no cambia. Esto difiere del sistema sin resorte. En el sistema sin resorte, F afecta directamente el proceso de separación, afectando así la potencia máxima.

En una palabra, P_max puede aumentarse incrementando la distancia máxima de separación x_max, área S, coeficiente de resorte k, permitividad relativa de capa dieléctrica ε_r y especialmente densidad de carga superficial σ. Por ejemplo, parámetros de material como ε_r y σ suelen optimizarse para obtener mayor potencia. Mientras la resistencia óptima puede ajustarse por parámetros x_max, S y k. P_max y resistencia óptima dependen principalmente de parámetros de material y estructurales.

Eficiencia de conversión η de los TENG

A veces nos preocupamos más por P_max que ignoramos η. La eficiencia es un parámetro importante para evaluar una fuente de energía. η se define como la relación entre la energía eléctrica de salida y la energía mecánica de entrada. Aquí, hemos investigado sistemática y directamente la influencia de estos parámetros en la eficiencia.

La energía eléctrica y mecánica se obtienen según el pulso de corriente en R óptimo. La energía eléctrica de salida es:

$$ {E}_{\mathrm{electric}}={\int}_{t_{\mathrm{start}}}^{t_{\mathrm{end}}}{I}^2 Rdt $$ (13)

donde el intervalo de tiempo entre t_start y t_end expresa un proceso completo de contacto y separación.

La energía mecánica calculada es:

$$ {E}_{\mathrm{mechanical}}=F\times S $$ (14)

Así η se calcula como:

$$ \eta =\frac{E_{\mathrm{electric}}}{E_{\mathrm{mechanical}}}\times 100\% $$ (15)

La relación de η con x_max se muestra en Fig. 6a. Al aumentar x_max, la eficiencia η aumenta y luego se satura gradualmente. Sabemos que la energía mecánica y la potencia máxima son proporcionales a x_max. Sin embargo, aumentar x_max cambiará la forma de la curva corriente-tiempo. Significa que la tasa de crecimiento se desacelerará cuando x_max sea mayor. La influencia de parámetros S, k y σ en η se muestran en Fig. 6b–d. La tendencia creciente de la eficiencia η con estos parámetros es similar a la de la potencia máxima. La eficiencia η aumenta gradualmente con S y k aumentando. Notablemente, σ puede influir grandemente en la eficiencia η. El parámetro ε_r es difícil de cambiar, y afortunadamente, casi no afecta η como muestra Fig. 6e. Como muestra Fig. 6f, la eficiencia η disminuye rápidamente al aumentar F. Esto se debe principalmente al aumento de la energía mecánica. Obviamente, la eficiencia es relativamente baja. Afortunadamente, podemos aumentar grandemente la eficiencia mejorando σ.

En situación práctica, sin embargo, F puede afectar el parámetro σ. Bajo F pequeño, las dos capas tienen contacto parcial. Las dos capas logran mejor contacto al aumentar F. Entonces el parámetro F puede afectar casi la densidad de carga superficial σ. Es decir, σ aumenta con F y luego se satura, como muestra Fig. 7a. Por tanto, recalculamos la relación entre rendimiento de salida y fuerza compresiva F. La influencia de F en corriente máxima, voltaje e instantánea potencia se muestran en Fig. 7b–d, respectivamente. Tienen relación similar con F. Por ejemplo, el voltaje de salida aumenta con F aumentando y luego se mantiene constante, consistente con datos experimentales en literatura. La influencia de F en energía eléctrica se muestra en Fig. 7e. Debe notarse que hay un punto de inflexión en la curva. La energía eléctrica de salida aumenta con F aumentando y luego disminuye ligeramente. La ligera caída de energía eléctrica de salida se debe al proceso de contacto más corto bajo mayor F. Bajo fuerza compresiva pequeña, F es proporcional a σ, resultando en mayor energía eléctrica de salida. Sin embargo, bajo gran fuerza compresiva, σ se satura. Las cargas transferidas en el proceso de separación se mantienen constantes mientras disminuyen en el de contacto bajo mayor fuerza compresiva. Así la energía eléctrica de salida en todo el proceso de separación y contacto cae ligeramente. La relación de η y F se presenta en Fig. 7f. Interesantemente, la curva η-F es pico-aguda y el valor máximo apareció en F ≈ 50 N. La E_mecánica de entrada es proporcional a F, mientras E_mecánica es mucho mayor que E_eléctrica de salida. Bajo F pequeño, la tasa de crecimiento de E_eléctrica es más rápida que E_mecánica debido al aumento rápido en σ. Sin embargo, bajo F grande, la disminución de E_eléctrica y aumento de E_mecánica resultan en menor eficiencia. El punto de inflexión en la relación entre eficiencia de conversión energética y fuerza compresiva es importante en el diseño de fuentes de energía efectivas.

Para obtener mayor rendimiento de salida como corriente e instantánea potencia, usualmente se aplica gran fuerza compresiva F. Pero eso puede causar baja eficiencia de conversión. Según el análisis anterior, podemos elegir un F racional para obtener alta potencia y eficiencia de conversión simultáneamente.

Conclusiones

En conclusión, introdujimos un enfoque práctico para analizar sistemática y directamente la eficiencia de conversión de TENG de modo contacto. Yendo más allá del análisis convencional, se introdujo una fuerza compresiva para derivar un perfil de movimiento más versátil, proporcionando mejor comprensión del principio de funcionamiento del proceso contacto-separación. Se presentaron ecuaciones explícitas para el rendimiento importante del dispositivo en todo el proceso de separación y contacto, a diferencia del análisis convencional que solo se centra en el proceso de separación. Primero, analizamos la relación del rendimiento de salida con parámetros de material, estructura y experimentales, principalmente para mayor potencia de salida. Luego, importante, estudiamos sistemática y profundamente la influencia de estos parámetros en la eficiencia de conversión energética en todo el proceso. Importante, se encontró un punto de inflexión en la relación entre eficiencia de conversión y fuerza compresiva. Los TENG con alta potencia de salida y alta eficiencia de conversión pueden obtenerse al mismo tiempo bajo fuerza óptima. Es realista y útil para TENG más eficientes. Importante, tiene buenas posibilidades de establecer los estándares para cuantificar la eficiencia de los TENG, sentando las bases para la posterior industrialización y multifuncionalización de los TENG.

Abreviaturas

BE:

Electrodo inferior

TE:

Electrodo superior

TENG:

Nanogenerador triboeléctrico