p Os cientistas têm dedicado um intenso trabalho nos últimos anos para converter a energia ambiental em eletricidade para atender às demandas contínuas por uma fonte de energia mais limpa e sustentável. A coleta de energia mecânica ambiental como um método ecologicamente correto é uma solução promissora e desempenha um papel significativo na construção de eletrônicos vestíveis e redes de sensores na Internet das Coisas (IoTs). Um nanogerador triboelétrico (TENG) é autoalimentado, solução viável para converter energia mecânica em eletricidade e, especificamente, satisfazer a crescente demanda da internet das coisas (IoTs). p No presente trabalho, Di Liu e colegas de trabalho dos Departamentos de Nanoenergia e Nanosistemas, Ciência e Engenharia de Materiais, e Nanociência e Tecnologia na China e nos EUA, desenvolveu um TENG de próxima geração para realizar a saída de corrente constante, acoplando o efeito de triboeletrificação e a quebra eletrostática. Eles obtiveram uma densidade de carga triboelétrica (430 µC m ^-2 ), muito mais alto do que aqueles com TENG convencional - que eram limitados pela quebra eletrostática. Os resultados do estudo foram publicados em Avanços da Ciência, para promover a miniaturização de sistemas autoalimentados para uso em IoTs e fornecer uma técnica de mudança de paradigma para coletar energia mecânica.

p Módulos de fonte de alimentação leves e vestíveis com alto desempenho de armazenamento de energia são desejáveis ​​para tecnologia vestível em ciência de materiais. Eles podem ser obtidos de forma convencional integrando diretamente um dispositivo de armazenamento de energia recarregável, ou seja, uma bateria ou supercapacitor em tecidos. A coleta de energia mecânica tem atraído muita atenção, conforme explorada por meio das técnicas de geradores eletromagnéticos (EMGs), nanogeradores piezoelétricos (PENGs) e nanogeradores triboelétricos (TENGs).

p Embora os EMGs sejam baseados na lei de indução eletromagnética de Faraday, adequado para geração de energia em grande escala, PENGs podem converter minúsculas deformações físicas em eletricidade com alimentação própria, dispositivos de pequena escala. TENGs convencionais têm demonstrado custo-benefício, recursos limpos e sustentáveis, com base em efeitos triboelétricos e indução eletrostática para converter energia em eletricidade. Os TENGs também oferecem peso leve, tamanho pequeno, uma ampla escolha de materiais e alta eficiência mesmo em baixas frequências.

p TENGs convencionais são retidos devido aos requisitos de um retificador (corretor), como uma ponte retificadora rotativa para gerar uma saída DC, o que limita a sua portabilidade. Além disso, Os TENGs com alimentação CA requerem blindagem eletromagnética por meio da integração do sensor, que pode reduzir o grau de sua acomodação em um dispositivo miniaturizado. A saída pulsada pode dar origem a um fator de crista muito alto, que é uma métrica chave para a instabilidade de saída influenciando o desempenho do armazenamento de energia e eletrônicos, onde a entrada constante é preferida. Embora uma saída DC constante tenha sido realizada recentemente usando a técnica de nanocontato Schottky deslizante, a tensão de saída estava muito baixa para acionar diretamente os componentes eletrônicos. No presente trabalho, Liu et al. portanto, inventou o DC-TENG, para resolver esses problemas e gerar DC constante, acoplando diretamente o efeito de triboeletrificação e a quebra eletrostática como uma técnica de mudança de paradigma.

p O princípio de funcionamento do DC-TENG baseou-se na triboeletrificação ou transferência de carga entre duas superfícies em contato em ambientes ambientais, assemelhando-se ao mesmo princípio natural por trás do efeito âmbar e relâmpago. Por esta, Liu et al. raio artificial induzido com um eletrodo coletor de carga (CCE), eletrodo de fricção (FE) e camada triboelétrica na configuração DC-TENG de próxima geração. No experimento, os cientistas usaram eletrodos de cobre para CCE e FE, e um filme de politetrafluoroetileno (PTFE) ligado a uma folha de acrílico como a camada triboelétrica.

p Com base no alinhamento inicial entre os eletrodos e o filme PTFE, Liu et al. gerou uma carga elétrica quase permanente no filme PTFE. Eles moveram um controle deslizante no meio para criar um campo eletrostático muito alto entre o CCE e o filme PTFE com carga negativa. Quando o campo eletrostático excedeu a rigidez dielétrica entre eles em um valor aproximado de 3 kV / mm, o ar próximo ficou parcialmente ionizado para começar a conduzir. Essa técnica resultou no fluxo de elétrons do PTFE para o CCE no experimento para induzir racionalmente a ruptura do ar e criar relâmpagos artificiais.

p Ao contrário dos TENGs convencionais que não exploram a energia da decomposição do ar, Liu et al. utilizou o CCE para efetivamente cobrar essas cobranças. Em resumo, em sua configuração experimental, os elétrons no FE transferidos para PTFE via triboeletrificação, em seguida, transportado para o CCE por meio de colapso eletrostático e, finalmente, para o FE por meio de um circuito externo. Quando o controle deslizante voltou ao seu estado inicial no experimento, não havia fluxo de corrente no circuito externo devido à ausência de diferença de potencial entre o CCE e o filme PTFE.

p Desta maneira, os cientistas produziram DC cíclica movendo periodicamente o controle deslizante, eles mediram a DC resultante do colapso dielétrico unidirecional do capacitor para produzir uma corrente de condução contínua. Liu et al. mostraram que a quantidade de carga colhida pelo DC-TENG via quebra dielétrica era maior do que a colhida pelo TENG convencional usando indução eletrostática e visavam usar este novo paradigma como um protótipo para colher a energia do raio. Eles pretendem investigar o mecanismo detalhado do processo e formar um modelo teórico preciso no futuro.

p No presente estudo, Liu et al. projetou dois modos de DC-TENG:um modo deslizante e um modo rotativo. Para implementar o processo de deslizamento, os cientistas usaram um motor linear e um motor comercial para conduzir o processo rotativo. Eles usaram imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) para visualizar os eletrodos de nanofios (CCE e FE) na superfície de PTFE. Quando eles moveram o slide ao longo da camada eletrificada, os cientistas capturaram o fenômeno da descarga corona como um brilho verde durante o colapso do ar entre o PTFE e o CCE como evidência sólida do colapso do ar durante a operação do dispositivo.

p Eles mediram o potencial de superfície de PTFE para mostrar a descarga de carga eletrostática por quebra eletrostática usando um voltímetro eletrostático Isoprobe, seguido pela medição da corrente de curto-circuito e cargas transferidas do DC-TENG, usando um eletrômetro programável. Para medir a tensão de circuito aberto do modo deslizante DC-TENG, eles usaram um osciloscópio de domínio misto - todos os resultados exibiram características de boa saída CC.

p Liu et al. mostraram que a densidade de carga inicial do DC-TENG era maior (330 µC m ^-2 ) do que o TENG convencional (~ 70 µC m ^-2 ) Para aumentar a densidade de carga, os cientistas introduziram nanoestruturas nas superfícies de PTFE usando processos de plasma acoplados indutivamente para modificar o material e alcançar um aumento de densidade de carga de seis vezes a 430 µC m ^-2 . O trabalho mostrou que o desempenho de saída do sistema pode ser aprimorado pela otimização estrutural simples da superfície do filme de PTFE. Quando Liu et al. mediu a corrente de saída de longo prazo do DC-TENG após 3000 ciclos, a corrente de saída DC permaneceu quase estável, confirmando excelente estabilidade da configuração.

p Em paralelo, os cientistas mediram de forma semelhante o desempenho de saída do modo rotativo DC-TENG. A estrutura da configuração continha um estator e um rotador, e muito parecido com o modo deslizante DC-TENG os Fes e CCEs foram conectados. Como antes, os cientistas realizaram medições para mostrar como a geração de eletricidade dependia da rotação relativa entre o rotador e o estator para um melhor desempenho em comparação com o DC-TENG convencional.

p Devido à sua geração contínua de saída DC, Liu et al. aplicações demonstradas de novos DC-TENGs para acionar dispositivos eletrônicos sem usar um retificador. Para funcionalização do dispositivo, os DC-TENGs com alimentação própria eram capazes de acionar a eletrônica diretamente, convertendo a energia mecânica. Como prova de princípio, os cientistas formaram um relógio eletrônico acionado diretamente por um modo deslizante DC-TENG e uma calculadora científica acionada por um DC-TENG rotativo. Além disso, eles formaram uma matriz de lâmpadas de diodo emissor de luz (LED), que pode ser iluminada pelo modo rotativo do DC-TENG, e ao contrário do LED acionado por TENG convencional, essas luzes LED permaneceram sem piscar em uma luminescência constante.

p Desta maneira, Liu et al. alcançou a conversão de energia mecânica em corrente de saída constante projetando DC-TENGs de próxima geração com base no efeito acoplado de triboeletrificação e decomposição eletrostática. Eles usaram um modo deslizante DC-TENG e modo rotativo DC-TENG para demonstrar o mecanismo, resultando em um valor de densidade de carga muito maior (430 µC m ^-2 ) do que o do dispositivo convencional. O fator de crista do TENG rotativo foi próximo a um, indicando uma saída de corrente constante.

p O novo DC-TENG é uma estratégia eficaz para coletar energia mecânica e eletrônica de potência ou carregar uma unidade de armazenamento de energia diretamente sem um retificador. A mudança de paradigma na conversão de energia mecânica em eletricidade também pode promover a miniaturização de sistemas autoalimentados em eletrônicos vestíveis e redes de sensores nas IoTs. Liu et al. imagine ainda o dispositivo como um protótipo para coletar energia elétrica no futuro. p © 2019 Science X Network