Mais de 60 grupos de pesquisa em todo o mundo estão agora desenvolvendo variações do nanogerador triboelétrico (TENG), que converte a energia mecânica do ambiente em eletricidade para alimentar aparelhos eletrônicos vestíveis, redes de sensores, dispositivos médicos implantáveis ​​e outros sistemas pequenos.

Para fornecer um meio de comparar e selecionar esses nanogeradores de coleta de energia para aplicações específicas, o grupo de pesquisa do Instituto de Tecnologia da Geórgia, pioneiro na tecnologia TENG, agora propôs um conjunto de padrões para quantificar o desempenho do dispositivo. A proposta avalia o desempenho estrutural e dos materiais dos quatro principais tipos de dispositivos TENG.

"Nanogeradores triboelétricos são uma nova tecnologia de energia que tem mostrado um potencial fenomenal, "disse Zhong Lin Wang, um professor regentes da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "Aqui, propusemos padrões pelos quais o desempenho desses dispositivos pode ser quantificado e comparado. Esses padrões serão úteis para pesquisadores acadêmicos que desenvolvem os dispositivos e para futuras aplicações industriais dos nanogeradores. "

Os padrões propostos são descritos em artigo publicado em 25 de setembro na revista. Nature Communications .

Nanogeradores triboelétricos usam uma combinação do efeito triboelétrico e indução eletrostática para gerar pequena quantidade de energia elétrica a partir de movimento mecânico, como rotação, deslizamento ou vibração. O efeito triboelétrico aproveita o fato de que certos materiais tornam-se eletricamente carregados após entrarem em contato móvel com uma superfície feita de um material diferente. A eletricidade gerada pelos dispositivos TENG pode substituir ou complementar as baterias para uma ampla gama de aplicações potenciais.

Desenvolvido nos últimos anos, a tecnologia avançou a ponto de poder alimentar pequenos dispositivos eletrônicos, potencialmente habilitando sistemas de detecção e infraestrutura generalizados - bem como alimentando dispositivos de consumo vestíveis.

"Devido ao grande número de dispositivos em desenvolvimento, as pessoas precisam ter um padrão para julgar o desempenho desses nanogeradores, "Disse Wang. Ele observou que os padrões permitiram o avanço de tecnologias como dispositivos fotovoltaicos e termoelétricos, embora o desempenho dos dispositivos TENG seja mais difícil de quantificar devido às diferentes opções de design e materiais disponíveis.

Em seu jornal, A equipe de Wang propõe uma figura de mérito geral que pode ser usada para quantificar a produção potencial de energia dos dispositivos TENG. A figura de mérito geral é composta por informações de duas outras fontes:as capacidades da estrutura TENG específica usada, e a densidade de carga superficial fornecida pelos materiais específicos escolhidos para construir o dispositivo. A saída é comparada com as entradas de energia mecânica para fornecer uma comparação de eficiência.

Essas medições são baseadas em gráficos de aumento de tensão e cargas elétricas totais transferidas de cada dispositivo. Os números estruturais de mérito são derivados de cálculos teóricos para cada um dos quatro principais modos de nanogerador, além de resultados experimentais produzidos por dispositivos TENG colocados em um circuito com uma chave e uma carga elétrica. A figura de mérito dos materiais depende de medições experimentais da densidade de carga superficial feitas com uma configuração experimental que usa metal líquido para coletar a carga superficial.

As variações nas estruturas TENG permitem uma variedade de aplicações dependendo da fonte de energia mecânica. Os quatro grupos principais incluem (1) modo de separação de contato vertical, (2) modo de deslizamento lateral, (3) modo de elétron único, e (4) modo autônomo de camada triboelétrica. Existem também combinações híbridas desses principais modos estruturais.

O modo de separação de contato, por exemplo, é alimentado por uma força motriz periódica que causa contato repetido, e então separação, entre dois materiais diferentes que possuem eletrodos revestidos nas superfícies superior e inferior. O modelo de deslizamento lateral usa duas superfícies que deslizam brevemente juntas, então separe, gerando uma carga.

"Podemos calcular para os quatro modos quais são os melhores tamanhos e formas, e a melhor saída de energia que você pode esperar para uma figura estrutural específica de mérito, "Wang explicou.

As escolhas de materiais testadas incluem etileno propileno fluorado, Kapton, fluoreto de polivinilideno polarizado, polietileno, borracha natural e celulose.

As técnicas de medição e teóricas foram desenvolvidas pelo colega de pós-doutorado Yunlong Zi e o estudante de graduação Simiao Niu, ambos os membros da equipe de pesquisa de Wang. No desenvolvimento de seus padrões propostos, os pesquisadores consideraram o que já havia sido feito na definição de padrões para motores térmicos e outras tecnologias.

"Para geradores triboelétricos, porque a entrada mecânica é variada, você tem diferentes tipos de medidas para avaliar o desempenho, "disse Zi." Essas cifras de mérito são consideravelmente mais complicadas do que o necessário para caracterizar o desempenho da célula solar, por exemplo."

Publicar os padrões propostos é a primeira etapa do que Wang espera ser um longo processo de obtenção de aceitação. Ele planeja passar os próximos meses explicando os padrões para outros grupos de pesquisa que desenvolvem dispositivos TENG.

Ele estima que pode haver 60 grupos de pesquisa em todo o mundo trabalhando em dispositivos TENG, e ele espera que esse número cresça à medida que os nanogeradores se tornem mais sofisticados e poderosos.

"À medida que os eletrônicos vestíveis se tornam mais populares e elegantes, precisaremos de uma maneira melhor de alimentá-los, "Wang disse." Nanogeradores triboelétricos podem desempenhar um grande papel nisso. Passamos muito tempo melhorando a eficiência de energia, e o campo está se expandindo rapidamente. "

Em última análise, ele disse, os padrões também poderiam ser modificados para geradores piezoelétricos e outros sistemas projetados para produzir eletricidade por movimento mecânico.