Un nanogenerador es un tipo de tecnología que convierte la energía mecánica / térmica producida por un cambio físico a pequeña escala en electricidad . Un nanogenerador tiene tres enfoques típicos: nanogeneradores piezoeléctricos , triboeléctricos y piroeléctricos . Tanto los nanogeneradores piezoeléctricos como triboeléctricos pueden convertir la energía mecánica en electricidad. Sin embargo, los nanogeneradores piroeléctricos se pueden utilizar para recolectar energía térmica a partir de una fluctuación de temperatura dependiente del tiempo .
Los nanogeneradores se refieren a un campo que utiliza la corriente de desplazamiento como fuerza motriz para convertir eficazmente la energía mecánica en energía / señal eléctrica, sin tener en cuenta si se utilizan nanomateriales o no. [1]
Teoría de los nanogeneradores a partir de las ecuaciones de Maxwell
Las ecuaciones de Maxwell tienen las siguientes formas básicas:
(1,1)
(1,2)
(1,3)
(1,4)
donde la corriente de desplazamiento, , fue introducido por primera vez por Maxwell en 1861 para satisfacer la ecuación de continuidad para cargas eléctricas. [2] El vector de desplazamiento eléctrico D está dado por, y para un medio dieléctrico isotrópico, , por lo tanto . La densidad de corriente de desplazamiento se presenta como
(2,1)
Recientemente, las ecuaciones de Maxwell se han ampliado para calcular la potencia de salida de los nanogeneradores. Un término adicional P s se añadió primero en D por Wang en 2017, [3] [4] , donde P s es la polarización creada por las cargas electrostáticas superficiales debido a mecánica de disparo, diferentes desde el campo eléctrico inducido por medio de la polarización P . La D se puede reescribir como, por lo que la densidad de corriente de desplazamiento se obtiene mediante
(2,2)
Entonces las ecuaciones de Maxwell se pueden expandir como [1]
(3,1)
(3,2)
(3,3)
(3.4)
Estas ecuaciones son las piedras angulares para derivar las características de salida de los nanogeneradores, a partir de las cuales se han derivado la corriente y el voltaje de salida, y la radiación electromagnética relacionada de un nanogenerador.
Teoría general de la polarización P s
La polarización P s creada por las cargas electrostáticas de la superficie se puede expresar mediante la siguiente ecuación, al definir la función de densidad de carga σ s ( r , t ) en la superficie del medio mediante una función de forma de f ( r , t ) = 0.
(4)
donde se introduce la función delta δ ( f ( r , t )) para limitar la forma del medio. Resolviendo el potencial eléctrico escalar de las cargas superficiales
(5)
la P s puede obtenerse mediante [1]
(6)
Ésta es la expresión general de la densidad de polarización superficial P s en la ecuación. (3.1) y (3.4).
Ecuación de transporte de corriente para nanogeneradores
La corriente de desplazamiento se obtiene mediante una integral de superficie de J D
(7)
donde Q es la cantidad total de carga gratuita en el electrodo. En los nanogeneradores, la corriente de desplazamiento domina el circuito interno, mientras que la corriente de conducción capacitiva domina el circuito externo.
El comportamiento de transporte actual de cualquier configuración de nanogeneradores se puede derivar mediante la siguiente ecuación general [1]
(8)
dondees la caída de potencial del electrodo A al electrodo B (Fig.1), y la integral d L está sobre una trayectoria desde el punto A hasta el punto B.
La ecuación de transporte actual para un nanogenerador piezoeléctrico (Fig. 2a) es
(9)
donde A es el área del electrodo, z es el espesor de la película piezoeléctrica y σ p es la densidad de carga de polarización.
La ecuación de transporte de corriente para el nanogenerador triboeléctrico en el modo de separación de contactos (Fig. 2b) es
(10)
donde H ( t ) es una función que depende de la velocidad de contacto entre los dos dieléctricos. Según la ecuación de transporte, la corriente de desplazamiento, el potencial eléctrico, la corriente de salida y la potencia de salida se pueden calcular para cuatro modos básicos de TENG.
Proyecciones de tecnología a partir de la corriente de desplazamiento de Maxwell
El primer trimestre de la corriente de desplazamiento propuesta por Maxwell da origen a la teoría de ondas electromagnéticas, y la inducción electromagnética provoca la aparición de antenas, radio, telegramas, TV, radar, microondas, comunicación inalámbrica y tecnología espacial. La unificación electromagnética produce la teoría de la luz, sentando las bases teóricas para la invención del láser y el desarrollo de la fotónica. El primer componente ha impulsado el desarrollo mundial de la tecnología láser y de comunicación en el último siglo. El segundo términopropuesto por primera vez por Wang [4] sentó las bases para los nanogeneradores. Añadiendo un término deen la corriente de desplazamiento y, por lo tanto, en las ecuaciones de Maxwell extiende sus aplicaciones a la energía. Los nanogeneradores son otras aplicaciones importantes de las ecuaciones de Maxwell a la energía y los sensores después de la teoría y tecnología de ondas electromagnéticas.
Nanogenerador piezoeléctrico
Un nanogenerador piezoeléctrico es un dispositivo de recolección de energía capaz de convertir la energía cinética externa en energía eléctrica mediante la acción de un material piezoeléctrico nanoestructurado . Aunque su definición puede incluir cualquier tipo de dispositivo de recolección de energía que use nanoestructuras para convertir varios tipos de energía ambiental (por ejemplo, energía solar y energía térmica ), generalmente se usa para indicar dispositivos de recolección de energía cinética que utilizan material piezoeléctrico a nanoescala desde su primera aparición. introducción en 2006. [5]
Aunque todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, la tecnología se ha considerado un avance potencial hacia una mayor miniaturización de los recolectores de energía convencionales, lo que posiblemente conduzca a una fácil integración con otros tipos de recolectores de energía y al funcionamiento independiente de dispositivos electrónicos móviles con una menor preocupación por las fuentes. de energía. [ cita requerida ]
Mecanismo
El principio de funcionamiento del nanogenerador se explicará para 2 casos diferentes: la fuerza ejercida perpendicular y paralela al eje del nanoalambre.
El principio de funcionamiento para el primer caso se explica por un nanoalambre de crecimiento vertical sujeto a la punta que se mueve lateralmente. Cuando una estructura piezoeléctrica es sometida a la fuerza externa por la punta móvil, la deformación ocurre en toda la estructura. El efecto piezoeléctrico creará el campo eléctrico dentro de la nanoestructura ; la parte estirada con la deformación positiva exhibirá el potencial eléctrico positivo, mientras que la parte comprimida con la deformación negativa mostrará el potencial eléctrico negativo. Esto se debe al desplazamiento relativo de los cationes con respecto a los aniones en su estructura cristalina. Como resultado, la punta del nanoalambre tendrá una distribución de potencial eléctrico en su superficie, mientras que la parte inferior del nanoalambre se neutraliza ya que está conectado a tierra. El voltaje máximo generado en el nanoalambre se puede calcular mediante la siguiente ecuación: [6]
, donde κ 0 es la permitividad en el vacío, κ es la constante dieléctrica, e 33 , e 15 ye 31 son los coeficientes piezoeléctricos, ν es la relación de Poisson, a es el radio del nanoalambre, l es la longitud del nanoalambre y ν max es la deflexión máxima de la punta del nanoalambre.
El contacto eléctrico juega un papel importante para bombear cargas en la superficie de la punta. El contacto de Schottky debe formarse entre el contraelectrodo y la punta del nanoalambre, ya que el contacto óhmico neutralizará el campo eléctrico generado en la punta. Para formar un contacto schottky efectivo , la afinidad electrónica (E a ) debe ser menor que la función de trabajo (φ) del metal que compone el contraelectrodo. Para el caso del nanoalambre de ZnO con la afinidad electrónica de 4.5 eV, Pt (φ = 6.1eV) es un metal adecuado para construir el contacto de Schottky . Al construir el contacto Schottky , los electrones pasarán al contraelectrodo desde la superficie de la punta cuando el contraelectrodo esté en contacto con las regiones del potencial negativo, mientras que no se generará corriente cuando esté en contacto con las regiones de el potencial positivo, en el caso de nanoestructura semiconductora de tipo n ( la estructura semiconductora de tipo p exhibirá el fenómeno inverso ya que el agujero es móvil en este caso). En consecuencia, la formación del contacto Schottky también contribuye a la generación de la señal de salida de corriente continua.
Para el segundo caso, se considera un modelo con un nanocable de crecimiento vertical apilado entre el contacto óhmico en su parte inferior y el contacto schottky en su parte superior. Cuando la fuerza se aplica hacia la punta del nanoalambre, se genera la compresión uniaxial en el nanoalambre. Debido al efecto piezoeléctrico , la punta del nanoalambre tendrá un potencial piezoeléctrico negativo , aumentando el nivel de Fermi en la punta. Dado que los electrones fluirán desde la punta hacia la parte inferior a través del circuito externo como resultado, el potencial eléctrico positivo se generará en la punta. El contacto de Schottky bloqueará los electrones que se transportan a través de la interfaz, manteniendo así el potencial en la punta. A medida que se elimina la fuerza, el efecto piezoeléctrico disminuye y los electrones fluyen hacia la parte superior para neutralizar el potencial positivo en la punta. El segundo caso generará una señal de salida de corriente alterna.
Configuración geométrica
Dependiendo de la configuración de la nanoestructura piezoeléctrica , la mayoría de los nanogeneradores se pueden clasificar en 3 tipos: VING , LING y "NEG". Aún así, existe una configuración que no entra en las categorías antes mencionadas, como se indica en otro tipo.
Nanogenerador integrado de nanocables vertical (VING) .
VING es una configuración tridimensional que consta de una pila de 3 capas en general, que son el electrodo base, la nanoestructura piezoeléctrica de crecimiento vertical y el contraelectrodo. La nanoestructura piezoeléctrica generalmente se hace crecer a partir del electrodo base mediante varias técnicas de síntesis, que luego se integran con el contraelectrodo en contacto mecánico total o parcial con su punta.
Después de que el profesor Zhong Lin Wang del Instituto de Tecnología de Georgia introdujera una configuración básica de VING en 2006, donde utilizó la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) para inducir la deformación de un solo nanoalambre de ZnO vertical , se sigue el primer desarrollo de VING. en 2007. [7] El primer VING utiliza el contraelectrodo con la rejilla de superficie periódica que se asemeja a las matrices de la punta AFM como un electrodo en movimiento. Dado que el contraelectrodo no está en pleno contacto con las puntas del nanoalambre piezoeléctrico , su movimiento en el plano o fuera del plano producido por la vibración externa induce la deformación de la nanoestructura piezoeléctrica , lo que lleva a la generación de la distribución del potencial eléctrico. dentro de cada nanoalambre individual . El contraelectrodo está recubierto con el metal que forma el contacto schottky con la punta del nanoalambre , donde solo la porción comprimida del nanoalambre piezoeléctrico permitiría que los electrones acumulados atraviesen la barrera entre su punta y el contraelectrodo, en el caso del tipo n nanoalambre . La característica de encendido y apagado de esta configuración muestra su capacidad de generar generación de corriente continua sin necesidad de rectificador externo .
En VING con contacto parcial, la geometría del contraelectrodo juega un papel importante. El contraelectrodo plano no induciría la deformación suficiente de las nanoestructuras piezoeléctricas , especialmente cuando el contraelectrodo se mueve en modo plano. Después de la geometría básica que se asemeja a la matriz de puntas AFM , se han seguido algunos otros enfoques para el desarrollo fácil del contraelectrodo. El grupo del profesor Zhong Lin Wang ha generado un contraelectrodo compuesto de nanobarras de ZnO utilizando una técnica similar utilizada para sintetizar la matriz de nanocables de ZnO . El grupo del profesor Sang-Woo Kim de la Universidad de Sungkyunkwan (SKKU) y el grupo del Dr. Jae-Young Choi del Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung (SAIT) en Corea del Sur introdujeron un contraelectrodo transparente en forma de cuenco mediante la combinación de aluminio anodizado y la tecnología de galvanoplastia . [8] También han desarrollado el otro tipo de contraelectrodo utilizando nanotubos de carbono de pared simple en red ( SWNT ) en el sustrato flexible, que no solo es eficaz para la conversión de energía sino también transparente. [9]
También se ha sugerido el otro tipo de VING. Si bien comparte la configuración geométrica idéntica a la mencionada anteriormente, tal VING tiene un contacto mecánico completo entre las puntas de los nanocables y el contraelectrodo. [10] Esta configuración es efectiva para aplicaciones donde la fuerza se ejerce en la dirección vertical (hacia el eje c del nanoalambre piezoeléctrico ), y genera corriente alterna (CA) a diferencia de los VING con contacto parcial.
Nanogenerador integrado de nanocables lateral (LING) .
LING es una configuración bidimensional que consta de tres partes: el electrodo base, la nanoestructura piezoeléctrica de crecimiento lateral y el electrodo metálico para el contacto Schottky. En la mayoría de los casos, el espesor de la película del sustrato es mucho más grueso que el diámetro de la nanoestructura piezoeléctrica , por lo que la nanoestructura individual está sujeta a la tensión de tracción pura.
LING es una expansión del generador de un solo cable (SWG), donde un nanocable alineado lateralmente se integra en el sustrato flexible. SWG es más bien una configuración científica utilizada para verificar la capacidad de generación de energía eléctrica de un material piezoeléctrico y se adopta ampliamente en la etapa inicial del desarrollo.
A partir de los VING con contacto mecánico completo, LING genera una señal eléctrica de CA. El voltaje de salida se puede amplificar construyendo una matriz de LING conectados en serie en el sustrato único, lo que lleva a la adición constructiva del voltaje de salida. Una configuración de este tipo puede conducir a la aplicación práctica de LING para captar energía a gran escala, por ejemplo, el viento o las olas del océano.
Generadores eléctricos nanocompuestos (NEG) .
"NEG" es una configuración tridimensional que consta de tres partes principales: los electrodos de placa de metal, la nanoestructura piezoeléctrica de crecimiento vertical y la matriz de polímero que se llena en el medio en la nanoestructura piezoeléctrica .
NEG fue introducido por Momeni et al. [11] Se demostró que NEG tiene una mayor eficiencia en comparación con la configuración original del nanogenerador en la que un nanoalambre de ZnO se doblará con una punta de AFM. También se demuestra que proporciona una fuente de energía con mayor sostenibilidad.
Otro tipo . La configuración geométrica similar a una tela fue sugerida por el profesor Zhong Lin Wang en 2008. El nanoalambre piezoeléctrico se hace crecer verticalmente en las dos microfibras en su dirección radial, y se entrelazan para formar un nanogenerador. [12] Una de las microfibras está recubierta con el metal para formar un contacto schottky, que sirve como contraelectrodo de los VING. A medida que se estira la microfibra móvil, se produce la deformación de la nanoestructura en la microfibra estacionaria, lo que resulta en la generación de voltaje. Su principio de funcionamiento es idéntico al de los VING con contacto mecánico parcial, generando así señal eléctrica DC.
Materiales
Entre varios materiales piezoeléctricos estudiados para el nanogenerador, muchas de las investigaciones se han centrado en los materiales con estructura de wurtzita como ZnO , CdS [13] y GaN . [14] La mayor ventaja de este material surge de la técnica de fabricación fácil y rentable, la síntesis hidrotermal . Dado que la síntesis hidrotermal se puede realizar en un entorno de baja temperatura por debajo de 100 ° C además del crecimiento vertical y cristalino, estos materiales se pueden integrar en varios sustratos con una preocupación reducida por sus características físicas, como la temperatura de fusión.
Los esfuerzos para mejorar la piezoelectricidad del nanoalambre individual también llevaron al desarrollo de otros materiales piezoeléctricos basados en la estructura de Wurtzita . El profesor Zhong Lin Wang del Instituto de Tecnología de Georgia presentó el nanoalambre de ZnO tipo p . [15] A diferencia de la nanoestructura semiconductora de tipo n , la partícula móvil en el tipo p es un agujero, por lo que el comportamiento de Schottky es inverso al del caso de tipo n; la señal eléctrica se genera a partir de la parte de la nanoestructura donde se acumulan los agujeros. Está probado experimentalmente que el nanoalambre de ZnO tipo p puede generar la señal de salida cerca de 10 veces la del nanoalambre de ZnO tipo n .
A partir de la idea de que se sabe que el material con estructura de perovskita tiene características piezoeléctricas más efectivas en comparación con el de estructura de wurtzita , el nanoalambre de titanato de bario (BaTiO 3 ) también ha sido estudiado por el profesor Min-Feng Yu de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign . [16] Se encuentra que la señal de salida es más de 16 veces mayor que la de un nanoalambre de ZnO similar .
El profesor Liwei Lin de la Universidad de California, Berkeley, ha sugerido que el PVDF también se puede aplicar para formar un nanogenerador. [17] Al ser un polímero, el PVDF utiliza un electrohilado de campo cercano para su fabricación, que es una técnica bastante diferente en comparación con otros materiales. La nanofibra se puede escribir directamente sobre el sustrato que controla el proceso, y se espera que esta técnica se aplique para formar textiles autoamplificados a base de nanofibras . Investigadores del SUTD presentaron la síntesis exitosa de nanofibras ultralargas de niobato de potasio (KNbO 3 ) utilizando un proceso de electrohilado de campo lejano asistido por sol-gel [18] y las utilizaron para desarrollar un nanogenerador flexible de voltaje de alto rendimiento. [19]
Considerando que la constante piezoeléctrica juega un papel crítico en el desempeño general de un nanogenerador piezoeléctrico, otra dirección de investigación para mejorar la eficiencia del dispositivo es encontrar nuevo material de gran respuesta piezoeléctrica. Niobato de plomo y magnesio-Titanato de plomo (PMN-PT) es un material piezoeléctrico de próxima generación con una constante piezoeléctrica súper alta cuando se obtienen la composición y la orientación ideales. En 2012, se fabricaron nanocables PMN-PT con una constante piezoeléctrica muy alta mediante un enfoque hidrotérmico [20] y luego se ensamblaron en un dispositivo de recolección de energía. [21] La constante piezoeléctrica récord se mejoró aún más mediante la fabricación de un nanocinturón de PMN-PT de cristal único, [22] que luego se utilizó como el bloque de construcción esencial para un nanogenerador piezoeléctrico.
En la siguiente tabla se muestra una comparación de los materiales informados para 2010.
Material | Tipo | Geometría | Tensión de salida | Potencia de salida | Síntesis | Investigado en |
---|---|---|---|---|---|---|
ZnO (tipo n) | Wurtzita | D: ~ 100 nm, L: 200 ~ 500 nm | V P = ~ 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 | V P = 50 ~ 90 mV @ R = 500 MΩ | 5 ~ 16,2 pW por ciclo (calculado) | CVD | Georgia Tech. |
ZnO-ZnS | Wurtzita (heteroestructura) | No se indica | V P = ~ 6 mV @ R = 500 MΩ | ~ 0,1 pW por ciclo (calculado) | Evaporación térmica y grabado | Georgia Tech. |
GaN | Wurtzita | D: 25 ~ 70 nm, L: 10 ~ 20 μm | V promedio = ~ 20 mV, V máx = ~ 0.35 V @ R = 500 MΩ | ~ 0.8 pW por ciclo (promedio, calculado) | CVD | Georgia Tech. [14] |
CdS | Wurtzita | D: ~ 100 nm, L: 1 μm | V P = ~ 3 mV | No se indica | PVD, proceso hidrotermal | Georgia Tech. [13] |
BaTiO 3 | Perovskita | D: ~ 280 nm, L: ~ 15 μm | V P = ~ 25 mV @ R = 100 MΩ | ~ 0.3 aJ por ciclo (indicado) | Reacción química a alta temperatura | UIUC [16] |
PVDF | Polímero | D: 0,5 ~ 6,5 μm, L: 0,1 ~ 0,6 mm | V P = 5 ~ 30 mV | 2.5 pW ~ 90 pW por ciclo (calculado) | Electro spinning | UC Berkeley [17] |
KNbO 3 | Perovskita | D: ~ 100 nm; L: pocos cm | Vp = ~ 16 V @ R = 100 MΩ | Electro spinning | SUTD / MIT [19] |
Aplicaciones
Se espera que el nanogenerador se aplique para diversas aplicaciones donde existe la energía cinética periódica, como el viento y las olas del océano a gran escala al movimiento muscular por el latido del corazón o la inhalación de los pulmones a pequeña escala. Las otras aplicaciones factibles son las siguientes.
Dispositivos nano / micro autoalimentados . Una de las aplicaciones factibles del nanogenerador es una fuente de energía independiente o complementaria a los nano / microdispositivos que consumen una cantidad relativamente baja de energía en una condición en la que la energía cinética se suministra continuamente. Un ejemplo fue presentado por el grupo del profesor Zhong Lin Wang en 2010 mediante el sensor autoamplificado de pH o 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 operar dispositivos nano / micro; por tanto, el rango de su aplicación sigue estando acotado como fuente de energía suplementaria a la batería. El avance se busca combinando el nanogenerador con los otros tipos de dispositivos de recolección de energía, como la célula solar o el recolector de energía bioquímica. [23] [24] Se espera que este enfoque contribuya al desarrollo de la fuente de energía adecuada para la aplicación donde la operación independiente es crucial, como Smartdust .
Sistemas portátiles inteligentes . El conjunto integrado o confeccionado con los textiles con la fibra piezoeléctrica es una de las aplicaciones factibles del nanogenerador. La energía cinética del cuerpo humano se convierte en energía eléctrica a través de las fibras piezoeléctricas , y posiblemente se puede aplicar para alimentar los dispositivos electrónicos portátiles, como el sistema de control de la salud adjunto a los Smart Wearable Systems . El nanogenerador como VING también se puede integrar fácilmente en el zapato empleando el movimiento de caminar del cuerpo humano.
Otra aplicación similar es una piel artificial generadora de energía. El grupo del profesor Zhong Lin Wang ha demostrado la posibilidad al generar un voltaje de CA de hasta 100 mV a partir del SWG flexible conectado al hámster en ejecución. [25]
Dispositivos transparentes y flexibles . Parte de la nanoestructura piezoeléctrica se puede formar en varios tipos de sustratos, como sustratos orgánicos flexibles y transparentes. Los grupos de investigación de SKKU (grupo del profesor Sang-Woo Kim) y SAIT (grupo del Dr. Jae-Young Choi) han desarrollado el nanogenerador transparente y flexible que posiblemente se puede utilizar para sensores táctiles autoamplificados y anticiparon que el desarrollo podría extenderse a los dispositivos de pantalla táctil de bajo consumo. Su enfoque de investigación se está ampliando para mejorar la transparencia del dispositivo y la rentabilidad mediante la sustitución del electrodo de óxido de indio-estaño ( ITO ) por una capa de grafeno . [26]
Receptor de energía telemétrico implantable . El nanogenerador basado en nanocables de ZnO se puede aplicar para dispositivos implantables, ya que el ZnO no solo es biocompatible, sino que también se puede sintetizar sobre el sustrato orgánico, lo que hace que el nanogenerador sea biocompatible en general. El dispositivo implantable integrado con el nanogenerador se puede operar recibiendo la vibración ultrasónica externa fuera del cuerpo humano, que se convierte en energía eléctrica mediante la nanoestructura piezoeléctrica .
Nanogenerador triboeléctrico
Descripción general
Un nanogenerador triboeléctrico es un dispositivo de recolección de energía que convierte la energía mecánica externa en electricidad mediante una conjunción de efecto triboeléctrico e inducción electrostática . Este nuevo tipo de nanogenerador se demostró por primera vez en el grupo del Prof. Zhong Lin Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia en el año de 2012. [27] 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 películas delgadas orgánicas / inorgánicas que exhiben tribopolaridad opuesta; en el circuito exterior, los electrones fluyen entre dos electrodos colocados en la parte posterior de las películas para equilibrar el potencial. Dado que los materiales más útiles para TENG son orgánicos, también se denomina nanogenerador orgánico, que es el primero en utilizar materiales orgánicos para recolectar energía mecánica.
Desde el primer informe de TENG en enero de 2012, la densidad de potencia de salida de TENG se ha mejorado en cinco órdenes de magnitud en 12 meses. La densidad de potencia del área alcanza los 313 W / m 2 , la densidad de volumen alcanza los 490 kW / m 3 y se han demostrado eficiencias de conversión de ~ 60% [28] -72% [29] . Además del rendimiento de salida sin precedentes, esta nueva tecnología energética también tiene una serie de otras ventajas, como el bajo costo de fabricación y fabricación, excelente solidez y confiabilidad, y respeto al medio ambiente. El nanogenerador triboeléctrico se puede aplicar para recolectar todo tipo de energía mecánica disponible pero desperdiciada en nuestra vida diaria, como el movimiento humano, caminar, vibración, activación mecánica, llanta giratoria, viento, agua que fluye y más. [28]
Más importante aún, el grupo de Ramakrishna Podila en la Universidad de Clemson demostró los primeros nanogeneradores triboeléctricos verdaderamente inalámbricos, [30] que eran capaces de cargar de forma inalámbrica dispositivos de almacenamiento de energía (por ejemplo, baterías y condensadores) sin necesidad de amplificación externa ni amplificadores. [31] Estos generadores inalámbricos posiblemente podrían allanar el camino para nuevos sistemas que podrían usarse para recolectar energía mecánica y transmitir de forma inalámbrica la energía generada para su almacenamiento.
El nanogenerador triboeléctrico tiene tres modos de funcionamiento básicos: modo de separación de contacto vertical, modo de deslizamiento en el plano y modo de electrodo único. Tienen diferentes características y son adecuados para diferentes aplicaciones.
Modos y mecanismos básicos
Modo de separación de contacto vertical
El mecanismo de trabajo del nanogenerador triboeléctrico se puede describir como el cambio periódico de la diferencia de potencial inducida por la separación cíclica y el re-contacto de las cargas triboeléctricas opuestas en las superficies internas de las dos hojas. Cuando se aplica una agitación mecánica sobre el dispositivo para doblarlo o presionarlo, las superficies internas de las dos láminas entrarán en estrecho contacto y comenzará la transferencia de carga, dejando un lado de la superficie con cargas positivas y el otro con cargas negativas. Este es solo el efecto triboeléctrico . Cuando se libera la deformación, las dos superficies con cargas opuestas se separarán automáticamente, de modo que estas cargas triboeléctricas opuestas generarán un campo eléctrico en el medio y, por lo tanto, inducirán una diferencia de potencial entre los electrodos superior e inferior. Para filtrar esta diferencia de potencial, los electrones serán impulsados a fluir de un electrodo a otro a través de la carga externa. La electricidad generada en este proceso continuará hasta que los potenciales de los dos electrodos vuelvan a nivelarse. Posteriormente, cuando las dos hojas se presionan una hacia la otra nuevamente, la diferencia de potencial inducida por carga triboeléctrica comenzará a disminuir a cero, por lo que las cargas transferidas fluirán de regreso a través de la carga externa, para generar otro pulso de corriente en la dirección opuesta. . Cuando dure esta deformación mecánica periódica, las señales de corriente alterna (CA) se generarán continuamente. [32] [33]
En cuanto al par de materiales que entran en contacto y generan cargas triboeléctricas, al menos uno de ellos debe ser un aislante , de modo que las cargas triboeléctricas no se puedan desviar sino que permanezcan en la superficie interior de la lámina. Entonces, estas cargas triboeléctricas inmóviles pueden inducir un flujo de electricidad de CA en la carga externa bajo el cambio de distancia periódico.
Modo de deslizamiento lateral
Hay dos procesos básicos de fricción: contacto normal y deslizamiento lateral. Demostramos aquí un TENG que está diseñado en base al deslizamiento en el plano entre las dos superficies en dirección lateral. [34] Con una triboelectrificación intensiva facilitada por fricción deslizante, un cambio periódico en el área de contacto entre dos superficies conduce a una separación lateral de los centros de carga, lo que crea una caída de voltaje para impulsar el flujo de electrones en la carga externa. El mecanismo de generación de electricidad inducida por deslizamiento se muestra esquemáticamente en la figura. En la posición original, las dos superficies poliméricas se superponen completamente y entran en contacto íntimo entre sí. Debido a la gran diferencia en la capacidad de atraer electrones, la triboelectrificación dejará una superficie con cargas netas positivas y la otra con cargas netas negativas con igual densidad. Dado que las tribocargas en los aisladores solo se distribuirán en la capa superficial y no se filtrarán durante un período prolongado de tiempo, la separación entre la superficie cargada positivamente y la superficie cargada negativamente es insignificante en esta posición de superposición, y por lo tanto habrá una pequeña caída de potencial eléctrico 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 de carga en el plano debido a la disminución del área de la superficie de contacto. Las cargas separadas generarán un campo eléctrico que apunta de derecha a 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 inferior para generar una caída de potencial eléctrico que cancele el potencial inducido por tribocarga. Debido a que la distancia vertical entre la capa de electrodo y la superficie polimérica tribocargada es despreciable en comparación con la distancia de separación de carga lateral, la cantidad de cargas transferidas en los electrodos es aproximadamente igual a la cantidad de cargas separadas en cualquier desplazamiento deslizante. Por lo tanto, el flujo de corriente continuará con la continuación del proceso de deslizamiento en curso que sigue aumentando las cargas separadas, hasta que la placa superior se deslice completamente fuera de la placa inferior y las superficies tribo-cargadas estén completamente separadas. La corriente medida debe determinarse por la velocidad a la que se separan las dos placas. Posteriormente, cuando la placa superior se invierte para deslizarse hacia atrás, las cargas separadas comienzan a entrar en contacto nuevamente, pero no se aniquilan debido a la naturaleza aislante de los materiales poliméricos. Las cargas transferidas redundantes en los electrodos fluirán de regreso a través de la carga externa con el aumento del área de contacto, para mantener el equilibrio electrostático. Esto contribuirá a un flujo de corriente desde el electrodo inferior al electrodo superior, junto con el segundo medio ciclo de deslizamiento. Una vez que las dos placas alcanzan la posición de superposición, las superficies cargadas vuelven a entrar en contacto por completo. No quedarán cargas transferidas en el electrodo y el dispositivo vuelve al primer estado. En todo este ciclo, los procesos de deslizamiento hacia afuera y hacia adentro son simétricos, por lo que se debe esperar un par de picos de corriente alterna simétricos.
El mecanismo de separación de carga en el plano puede funcionar en un deslizamiento direccional entre dos placas [35] o en modo de rotación. [36] En el modo de deslizamiento, la introducción de una rejilla lineal o una segmentación circular en las superficies de deslizamiento es un medio extremadamente eficaz para la recolección de energía. Con tales estructuras, dos superficies triboeléctricas con patrones pueden llegar a una posición completamente desajustada mediante un desplazamiento de solo una longitud de unidad de rejilla en lugar de toda la longitud del TENG, de modo que aumente drásticamente la eficiencia de transporte de las cargas inducidas.
Modo de electrodo único
Se presenta un nanogenerador triboeléctrico de un solo electrodo como un diseño más práctico y factible para algunas aplicaciones, como el nanogenerador triboeléctrico accionado con la punta de los dedos. [37] [38] El principio de funcionamiento del TENG de un solo electrodo se muestra esquemáticamente en la figura mediante el acoplamiento de la electrificación por contacto y la inducción electrostática. En la posición original, las superficies de la piel y el PDMS están completamente en contacto entre sí, lo que resulta en una transferencia de carga entre ellos. Según la serie triboeléctrica, se inyectaron electrones desde la piel al PDMS ya que el PDMS es más triboeléctricamente negativo que la piel, que es el proceso de electrificación por contacto. Las cargas triboeléctricas producidas con polaridades opuestas están completamente balanceadas / apantalladas, lo que conduce a que no haya flujo de electrones en el circuito externo. Una vez que se produce una separación relativa entre el PDMS y la piel, estas cargas triboeléctricas no se pueden compensar. Las cargas negativas en la superficie del PDMS pueden inducir cargas positivas en el electrodo ITO, haciendo que los electrones libres fluyan 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 la piel que se toca y el PDMS inferior es apreciablemente comparable al tamaño de la película PDMS. Cuando las cargas triboeléctricas negativas en el PDMS se eliminan completamente de las cargas positivas inducidas en el electrodo ITO aumentando la distancia de separación entre el PDMS y la piel, no se pueden observar señales de salida, como se ilustra. Además, cuando la piel se revirtió para acercarse al PDMS, las cargas positivas inducidas en el electrodo ITO disminuyen y los electrones fluirán desde la tierra al electrodo ITO hasta que la piel y el PDMS entren en contacto completamente entre sí, lo que da como resultado un voltaje de salida invertido. / señal actual. Este es un ciclo completo de proceso de generación de electricidad para el TENG en modo de separación de contactos.
Aplicaciones
TENG es un proceso físico de convertir la agitación mecánica en una señal eléctrica a través de los procesos de triboelectrificación (en el circuito interno) y de inducción electrostática (en el circuito externo). Este proceso básico se ha demostrado para dos aplicaciones principales. La primera aplicación es la recolección de energía con la ventaja particular de recolectar energía mecánica. La otra aplicación es servir como sensor activo autoamplificado, porque no necesita una fuente de alimentación externa para conducir.
- Cosecha de energía de vibración
Las vibraciones son el resultado de los fenómenos más populares en la sociedad, desde caminar, voces, vibraciones de motores, automóviles, trenes, aviones, viento y muchos más. Existe casi en todas partes y en todo momento. La recolección de energía de vibración es de gran valor, especialmente para alimentar la electrónica móvil, particularmente en combinación con técnicas complementarias de recolección de energía equilibrada. Se han demostrado varias tecnologías basadas en los principios fundamentales de los nanogeneradores triboeléctricos para recolectar energía de vibración. Esta aplicación del nanogenerador triboeléctrico se ha demostrado en los siguientes aspectos: 1. La técnica basada en voladizos es un enfoque clásico para la recolección de energía mecánica, especialmente para MEMS. Al diseñar la superficie de contacto de un voladizo con las superficies superior e inferior durante la vibración, se ha demostrado que TENG recolecta energía de vibración ambiental basada en el modo de separación por contacto. [39] 2. Para recolectar la energía de una mochila, demostramos un TENG diseñado racionalmente con cuadrículas rómbicas integradas, que mejoró en gran medida la salida de corriente total debido a las celdas unitarias estructuralmente multiplicadas conectadas en paralelo. [40] 3. Con el uso de 4 resortes de soporte, se ha fabricado un TENG basado en resonador armónico basado en la separación por contacto inducida por resonancia entre los dos materiales triboeléctricos, que se ha utilizado para recolectar energía de vibración de un motor de automóvil, un sofá y escritorio. [41] 4. Recientemente, se ha diseñado un nanogenerador triboeléctrico tridimensional (3D-TENG) basado en un modo de hibridación de conjunción del modo de separación de contacto vertical y el modo de deslizamiento en el plano.36 El diseño innovador facilita la recolección de vibraciones aleatorias energía en múltiples direcciones sobre un ancho de banda amplio. El 3-D TENG está diseñado para recolectar energía de vibración ambiental, especialmente a bajas frecuencias, bajo una variedad de condiciones en la vida diaria, abriendo así las aplicaciones de TENG en monitoreo ambiental / de infraestructura, carga de dispositivos electrónicos portátiles e Internet de las cosas.
- Cosecha de energía del movimiento del cuerpo humano
Dado que existe una abundante energía mecánica generada en el cuerpo humano en la vida cotidiana de las personas, podemos hacer uso del nanogenerador triboeléctrico para convertir esta cantidad de energía mecánica en electricidad, para cargar dispositivos electrónicos portátiles y aplicaciones biomédicas. [42] Esto ayudará a mejorar en gran medida la comodidad de la vida de las personas y ampliará la aplicación de la electrónica personal. Se ha demostrado una plantilla de generación de energía empaquetada con nanogeneradores triboeléctricos multicapa flexibles incorporados, que permiten recolectar la presión mecánica durante la marcha normal. El TENG utilizado aquí se basa en el modo de separación por contacto y es eficaz para responder a la compresión periódica de la plantilla. Utilizando la plantilla como fuente de energía directa, desarrollamos un zapato con iluminación automática completamente empaquetado que tiene amplias aplicaciones para fines de exhibición y entretenimiento. Se puede colocar un TENG en la capa interior de una camisa para recolectar energía del movimiento corporal. En general, la salida máxima de voltaje y densidad de corriente es de hasta 17 V y 0,02 μA / cm 2 , respectivamente. El TENG con un tamaño de capa única de 2 cm × 7 cm × 0,08 cm pegado a la ropa se demostró como una fuente de energía sostenible que no solo puede iluminar directamente 30 diodos emisores de luz (LED), sino que también puede cargar un ion de litio. batería aplaudiendo persistentemente la ropa.
- Sensores de fuerza / tensión activos autoalimentados
Un nanogenerador triboeléctrico genera automáticamente un voltaje y una corriente de salida una vez que se activa mecánicamente. La magnitud de la señal de salida significa el impacto de la deformación mecánica y su comportamiento dependiente del tiempo. Este es el principio básico del TENG que se puede aplicar como sensor de presión autoalimentado. La señal de salida de voltaje puede reflejar la presión aplicada inducida por una gota de agua. Todos los tipos de TENG tienen una alta sensibilidad y una respuesta rápida a la fuerza externa y se muestran como una señal de pico nítida. 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 puede mostrar delicadamente estos detalles de todo el proceso. Los resultados existentes muestran que nuestro sensor se puede aplicar para medir la presión sutil en la vida real. [43]
El sensor de presión activa también se ha desarrollado en forma de material compuesto. El término compuesto triboeléctrico se refiere a un polímero en forma de esponja con alambre incrustado. La aplicación de presión e impacto sobre el material compuesto en cualquier dirección provoca la separación de la carga entre el polímero blando y el alambre activo debido a la presencia de un espacio de aire compuesto. El alambre pasivo como segundo electrodo puede incrustarse dentro de la esponja sin ningún espacio de aire o colocarse fuera del compuesto permitiendo que el sensor funcione en modo de electrodo único. [44]
En el caso de que hagamos una matriz matricial de los nanogeneradores triboeléctricos, se puede realizar un mapa de presión autoalimentado de gran área aplicado sobre una superficie. [45] La respuesta de la matriz TENG con la presión local se midió a través de un sistema de medición multicanal. Hay dos tipos de señales de salida del TENG: voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito. La tensión en circuito abierto solo viene dictada por la configuración final del TENG después de aplicar un disparo mecánico, por lo que es una medida de la magnitud de la deformación, que se atribuye a la información estática que debe proporcionar el TENG. La corriente de salida depende de la velocidad a la que fluiría la carga inducida, de modo que la señal de corriente es más sensible al proceso dinámico de cómo se aplica el disparo mecánico.
El sensor de presión activo y la matriz de sensores integrados basados en el efecto triboeléctrico tienen varias ventajas sobre los sensores de presión pasivos convencionales. Primero, el sensor activo es capaz de detectar la presión estática usando el voltaje de circuito abierto y la detección de presión dinámica usando la corriente de cortocircuito, mientras que los sensores convencionales generalmente son incapaces de la detección dinámica para proporcionar la información de la tasa de carga. En segundo lugar, la pronta respuesta de la detección estática y dinámica permite revelar detalles sobre la presión de carga. En tercer lugar, el límite de detección del TENG para la detección dinámica es tan bajo como 2,1 Pa, debido al alto rendimiento del TENG. En cuarto lugar, el conjunto de sensores activos presentado en este trabajo no consume energía e incluso podría combinarse con su funcionalidad de recolección de energía para el mapeo de presión autoalimentado. Los trabajos futuros en este campo implican la miniaturización del tamaño de píxel para lograr una mayor resolución espacial y la integración de la matriz TEAS en un sustrato totalmente flexible para obtener imágenes de presión adaptables a la forma.
- Sensores de movimiento autoamplificados
El término de sensores autoamplificados puede reflejar mucho más que una simple señal de salida de voltaje. Puede referirse a un sistema que alimenta toda la electrónica responsable de medir y demostrar el movimiento detectable. Por ejemplo, el codificador triboeléctrico autoalimentado, integrado en un sistema inteligente de correa-polea, convierte la fricción en energía eléctrica útil almacenando la energía recolectada en un condensador y alimentando completamente el circuito, que incluye un microcontrolador y una pantalla LCD. [46]
- Sensores químicos activos autoalimentados
En cuanto a los nanogeneradores triboeléctricos, se puede maximizar la generación de carga en lados opuestos seleccionando los materiales con la mayor diferencia en la capacidad de atraer electrones y cambiando la morfología de la superficie. En tal caso, la salida del TENG depende del tipo y concentración de moléculas adsorbidas en la superficie de los materiales triboeléctricos, que pueden usarse para fabricar sensores químicos y bioquímicos. Como ejemplo, el rendimiento del TENG depende del ensamblaje de nanopartículas de Au (NP) en la placa de metal. Estos NP de Au ensamblados no solo actúan como espacios constantes entre las dos placas en condiciones libres de tensión, sino que también permiten la función de ampliar el área de contacto de las dos placas, lo que aumentará la salida eléctrica del TENG. Mediante la modificación adicional de las moléculas de ácido 3-mercaptopropiónico (3-MPA) en las NP de Au ensambladas, el nanogenerador de alto rendimiento puede convertirse en un nanosensor altamente sensible y selectivo hacia la detección de iones Hg 2+ debido a la diferente polaridad triboeléctrica de NP de Au y Hg 2+ iones. Con su alta sensibilidad, selectividad y simplicidad, el TENG tiene un gran potencial para la determinación de iones Hg 2+ en muestras ambientales. El TENG es un sistema de detección de futuro para entornos extremos inalcanzables y con acceso denegado. Como los diferentes iones, moléculas y materiales tienen sus polaridades triboeléctricas únicas, esperamos que el TENG pueda convertirse en un sensor eléctrico de encendido o apagado cuando los analitos se unen selectivamente a la superficie del electrodo modificado. Creemos que este trabajo servirá como trampolín para estudios relacionados con TENG e inspirará el desarrollo de TENG hacia otros iones metálicos y biomoléculas como el ADN y las proteínas en un futuro próximo. [47]
Elección de materiales y estructuras superficiales.
Casi todos los materiales conocidos exhiben el efecto de triboelectrificación, desde el metal hasta el polímero, la seda y la madera, casi todo. Todos estos materiales pueden ser candidatos para fabricar TENG, por lo que las opciones de materiales para TENG son enormes. Sin embargo, la capacidad de un material para ganar / perder electrones depende de su polaridad. John Carl Wilcke publicó la primera serie triboeléctrica en 1757 sobre cargas estáticas. Un material hacia la parte inferior de la serie, cuando se toca con un material cerca de la parte superior de la serie, alcanzará una carga más negativa. Cuanto más alejados estén dos materiales entre sí en la serie, mayor será la carga transferida. Además de la elección de los materiales de la serie triboeléctrica, las morfologías de las superficies pueden modificarse mediante técnicas físicas con la creación de micro o nanopatrones basados en pirámides, cuadrados o hemisferios, que son eficaces para mejorar el área de contacto. y posiblemente la triboelectrificación. Sin embargo, la estructura irregular creada en la superficie puede aumentar la fuerza de fricción, lo que posiblemente puede reducir la eficiencia de conversión de energía del TENG. Por lo tanto, se debe diseñar una optimización para maximizar la eficiencia de conversión.
Las superficies de los materiales se pueden funcionalizar químicamente utilizando diversas moléculas, nanotubos, nanocables o nanopartículas, con el fin de potenciar el efecto de triboelectrificación. La funcionalización de la superficie puede cambiar en gran medida el potencial de la superficie. La introducción de nanoestructuras en las superficies puede cambiar las características de contacto local, lo que puede mejorar la triboelectrificación. Esto implicará una gran cantidad de estudios para probar una variedad de materiales y una variedad de nanoestructuras disponibles.
Además de estos materiales puros, los materiales de contacto pueden estar hechos de compuestos, por ejemplo, incorporando nanopartículas en una matriz de polímero. Esto no solo cambia la electrificación de la superficie, sino también la permitividad de los materiales para que puedan ser efectivos para la inducción electrostática. Por lo tanto, existen numerosas formas de mejorar el rendimiento del TENG desde el punto de vista de los materiales. Esto brinda una excelente oportunidad para que los químicos y científicos de materiales realicen un estudio extenso tanto en la ciencia básica como en la aplicación práctica. Por el contrario, los sistemas de materiales para células solares y termoeléctricos, por ejemplo, son bastante limitados y no hay muchas opciones para dispositivos de alto rendimiento.
Estándares y figuras de mérito
Se ha desarrollado una figura de mérito de desempeño (FOM P ) para evaluar cuantitativamente el desempeño de los nanogeneradores triboeléctricos, que consta de una figura de mérito estructural (FOM S ) relacionada con la estructura de TENG y una figura de mérito material (FOM M ) que es el cuadrado de la densidad de carga superficial. [48] Teniendo en cuenta el efecto de desglose, también se propone una figura de mérito revisada. [49] Sobre la base del FOM, los resultados de diferentes TENG se pueden comparar y evaluar.
- Ciclos para la producción de energía de TENG
Para un movimiento mecánico periódico continuo (desde el desplazamiento x = 0 hasta x = x máx ), la señal de salida eléctrica del TENG también depende periódicamente del tiempo. En tal caso, la potencia de salida promedio P, que está relacionada con la resistencia de carga, se usa para determinar los méritos del TENG. Dado un cierto período de tiempo T, la energía de salida por ciclo E se puede derivar como:
Esto indica que la energía de salida por ciclo E se puede calcular como el área rodeada del circuito cerrado en la curva V – Q, y todos los ciclos de VQ se denominan "ciclos de producción de energía" (CEO).
- Ciclos para maximizar la producción de energía de TENG.
Mediante la transformación periódica entre condiciones de carga y cortocircuito, se pueden obtener ciclos para la máxima producción de energía. Cuando la carga es igual a infinita, el VQ se convierte en una forma trapezoidal, cuyos vértices están determinados por la carga máxima transferida de cortocircuito Q SC, max , y la energía de salida máxima se puede calcular como:
- Figuras de mérito (FOM) de TENG.
Para el TENG que opera en CMEO con resistencia de carga infinita, el período T incluye dos partes de tiempo. Una parte es del movimiento relativo en TENG y la otra parte es del proceso de descarga en condición de cortocircuito. El efecto de ruptura existe ampliamente en los nanogeneradores triboeléctricos, lo que afectará seriamente la producción de energía maximizada efectiva, E em . [50] Por lo tanto, la potencia de salida promedio P en CMEO considerando el efecto de ruptura debe satisfacer:Donde v es el valor de velocidad promedio del movimiento relativo en TENG, que depende de los movimientos mecánicos de entrada. En esta ecuación,es el único término que depende de las características del propio TENG. La eficiencia de conversión de energía del TENG se puede expresar como (en CMEO con R = ∞ considerando los efectos de ruptura):
Método estandarizado para la evaluación de la capacidad de producción
Teniendo en cuenta el efecto de ruptura, se propone un método estandarizado para la evaluación de la capacidad de producción de los nanogeneradores, que puede medir experimentalmente el límite de ruptura y la E em de los nanogeneradores. [49] Estudios anteriores sobre el modelo teórico implican que TENG puede considerarse como una fuente de voltaje que se combina con un capacitor en serie, cuya capacitancia varía durante el funcionamiento. [52] Basado en la propiedad capacitiva, el método de evaluación se desarrolla cargando el TENG objetivo (TENG1) en un desplazamiento x diferente para medir la condición de ruptura. Se agrega otro TENG (TENG2) como fuente de alto voltaje para activar el TENG objetivo para acercarse a la condición de falla. El interruptor 1 (S1) y el interruptor 2 (S2) se utilizan para habilitar diferentes pasos de medición. Flujo de proceso detallado de este método, incluida una parte de experimento y una parte de análisis de datos. En primer lugar, es fundamental mantener la densidad de carga superficial idéntica a la reflejada por Q SC, max , para garantizar la consistencia de la medición en diferentes x. Por lo tanto, en el Paso 1, S1 se encendió y S2 se apagó para medir Q SC, max ; si Q SC, max es menor que el valor esperado, se lleva a cabo un proceso de triboelectrificación adicional para acercarse a eso. Y luego, en el Paso 2, x se estableció en un cierto valor, y la transferencia de carga de cortocircuito Q SC (x) en una cierta x se midió con el coulómetro Q1. En el paso 3, se apagó S1, se encendió S2 y luego se activó el TENG2 para suministrar salida de alto voltaje para TENG1. La carga que fluye hacia TENG1 y el voltaje a través de TENG1 se midieron al mismo tiempo, en el cual la carga se midió con el coulómetro Q2, y el voltaje se obtuvo multiplicando la resistencia R con la corriente que fluye a través de ella medida con el medidor de corriente I, como se detalla en Métodos. Los puntos de inflexión obtenidos en este (Q, V) se consideraron puntos de ruptura. Y luego, si x
Nanogenerador piroeléctrico
Un nanogenerador piroeléctrico es un dispositivo de recolección de energía que convierte la energía térmica externa en energía eléctrica mediante el uso de materiales piroeléctricos nanoestructurados. Por lo general, la recolección de energía termoeléctrica se basa principalmente en el efecto Seebeck que utiliza una diferencia de temperatura entre dos extremos del dispositivo para impulsar la difusión de los portadores de carga. [53] Sin embargo, en un entorno en el que la temperatura es espacialmente uniforme sin un gradiente, como en el exterior, el efecto Seebeck no se puede utilizar para recolectar 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 ciertos sólidos anisotrópicos como resultado de la fluctuación de temperatura. [54] El primer nanogenerador piroeléctrico fue introducido por el profesor Zhong Lin Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia en 2012. [55] Al recolectar la energía térmica residual, este nuevo tipo de nanogenerador tiene aplicaciones potenciales como sensores inalámbricos, imágenes de temperatura, diagnósticos médicos y electrónica personal.
Mecanismo
El principio de funcionamiento del nanogenerador piroeléctrico se explicará para 2 casos diferentes: el efecto piroeléctrico primario y el efecto piroeléctrico secundario.
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 deformaciones. El efecto piroeléctrico primario domina la respuesta piroeléctrica en PZT, BTO y algunos otros materiales ferroeléctricos. [56] El mecanismo se basa en la oscilación aleatoria inducida térmicamente del dipolo eléctrico alrededor de su eje de equilibrio, cuya magnitud aumenta con el aumento de la temperatura. [57] Debido a las fluctuaciones térmicas a temperatura ambiente, los dipolos eléctricos oscilarán aleatoriamente dentro de un grado de sus respectivos ejes de alineación. Bajo una temperatura fija, la fuerza promedio total de la polarización espontánea de los dipolos eléctricos es constante, por lo que no hay salida del nanogenerador piroeléctrico. Si aplicamos un cambio de temperatura en el nanogenerador de temperatura ambiente a una temperatura más alta, el aumento de temperatura dará como resultado que los dipolos eléctricos oscilen dentro de un mayor grado de dispersión alrededor de sus respectivos ejes de alineación. La polarización espontánea promedio total disminuye debido a la extensión de los ángulos de oscilación. La cantidad de cargas inducidas en los electrodos se reduce así, lo que resulta en un flujo de electrones. Si el nanogenerador se enfría en lugar de calentar, la polarización espontánea aumentará ya que los dipolos eléctricos oscilan dentro de un menor grado de ángulos de dispersión debido a la menor actividad térmica. La magnitud total de la polarización aumenta y la cantidad de cargas inducidas en los electrodos aumenta. Entonces, los electrones fluirán en dirección opuesta.
Para el segundo caso, la respuesta piroeléctrica obtenida se explica por el efecto piroeléctrico secundario, que describe la carga producida por la deformación inducida por expansión térmica. El efecto piroeléctrico secundario domina la respuesta piroeléctrica en ZnO, CdS y algunos otros materiales de tipo wurzita. La deformación térmica puede inducir una diferencia de potencial piezoeléctrico a través del material, lo que puede hacer que los electrones fluyan en el circuito externo. La potencia del nanogenerador está asociada con el coeficiente piezoeléctrico y la deformación térmica de los materiales. La corriente de salida I de los nanogeneradores piroeléctricos se puede determinar mediante la ecuación de I = pA (dT / dt), donde p es el coeficiente piroeléctrico, A es el área efectiva del NG, dT / dt es la tasa de cambio de temperatura .
Aplicaciones
Se espera un nanogenerador piroeléctrico [¿ por quién? ] que se aplicará a diversas aplicaciones en las que exista una fluctuación de temperatura dependiente del tiempo. Una de las aplicaciones factibles del nanogenerador piroeléctrico se utiliza como sensor activo, que puede funcionar sin batería. El grupo del profesor Zhong Lin Wang presentó un ejemplo en 2012 mediante el uso de un nanogenerador piroeléctrico como sensor de temperatura autoalimentado para detectar un cambio de temperatura, donde el tiempo de respuesta y el tiempo de reinicio del sensor son de aproximadamente 0,9 y 3 s, respectivamente. . [58] En general, el nanogenerador piroeléctrico da un voltaje de salida alto, pero la corriente de salida es pequeña. No solo se puede utilizar como una fuente de energía potencial, sino también como un sensor activo para medir la variación de temperatura.
Ver también
- Batería (electricidad)
- Generador eléctrico
- Sistemas micro electromecánicos
- Micro poder
- Sistemas nanoelectromecánicos
- Smartdust
- Sistemas portátiles inteligentes
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enlaces externos
- Nano Research Group del profesor ZL Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia
- Laboratorio de Ingeniería y Ciencia Nano Electrónica (NESEL) en la Universidad de Sungkyunkwan (SKKU)
- Laboratorio de Física y Mecánica a Nanoescala de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign
- LINLAB en la Universidad de California, Berkeley
- Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung