Theoretisches System triboelektrischer Nanogeneratoren im Kontaktmodus für hohe Energieumwandlungseffizienz

Hintergrund

Die künstliche Intelligenz und das Cloud-Netzwerk verbessern allmählich die Qualität unseres modernen Lebens mit der schnellen Entwicklung von Elektronik der nächsten Generation für Smart Home, Gesundheitsüberwachung, Unterhaltung und Umgebungsüberwachung [1,2,3]. Die Stromversorgung dieser großen Mengen an Elektronik ist unter Verwendung vorhandener Batterietechnologien angesichts ihrer Größe, ihrer kurzen Lebensdauer und insbesondere der Schnellladeprobleme zu einer unmöglichen Aufgabe geworden. Dies ist zu einem der wichtigsten Hindernisse bei der Entwicklung einer nachhaltigen Stromquelle geworden, die für tragbare Elektronik geeignet ist [4,5,6].

Derzeit haben sich triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) basierend auf der Triboelektrifizierung als attraktive Technologie zur Gewinnung mechanischer Energie erwiesen. Es ist ein vielversprechender Kandidat für tragbare Elektronik aufgrund seiner zahlreichen Vorteile, darunter Flexibilität [7], Kosteneffizienz [8], einfacher Herstellungsprozess [9], Umweltschutz [10] und Vielseitigkeit [11]. Es wurde weithin verwendet, um Energie aus mechanischer Umgebungsenergie zu gewinnen. Darüber hinaus kann es zur Integration mit tragbaren Geräten für Anwendungen mit eigener Stromversorgung verwendet werden [12,13,14]. Bisher wurden viele Methoden zur Leistungssteigerung eingesetzt, darunter Oberflächenmorphologie [15, 16], Materialoptimierung [17, 18], Ladungsinjektion [19, 20], Strukturoptimierung [21, 22] und Multi-Nanogeneratoren [23, 24]. Trotz der rasanten Fortschritte bei der Ausgangsleistung fehlt ein definitives Modell zur Analyse der Energieumwandlungseffizienz. Für verschiedene Arten von TENGs wurden eine Reihe theoretischer Erklärungen veröffentlicht [25,26,27]. Die meisten Analysen diskutieren jedoch nicht den gesamten Energieumwandlungsprozess und konzentrieren sich nur auf die Ausgangsleistung. Noch wichtiger ist, dass eine höhere Ausgangsleistung keine höhere Energieumwandlungseffizienz bedeutet und sich sogar als kontraproduktiv erweisen kann. Es hat die Entwicklung effizienterer TENGs aufgrund des Fehlens direkter Studien zur Energieumwandlungseffizienz etwas behindert.

In dieser Arbeit haben wir die Leistung und Umwandlungseffizienz von TENGs im Kontaktmodus systemisch und direkt unter Berücksichtigung des gesamten Prozesses analysiert. Zunächst wurde über die konventionelle Analyse hinaus eine Druckkraft eingeführt, um ein vielseitigeres Bewegungsprofil abzuleiten, das ein besseres Verständnis des Arbeitsprinzips des Kontakttrennprozesses ermöglichte. Anschließend wurden anhand der Bewegungsgleichungen explizite Gleichungen für die wichtige Geräteleistung im gesamten Kontakt- und Trennprozess präsentiert. Schließlich wurde der Einfluss von Materialeigenschaften, Strukturparametern und experimentellen Faktoren auf die maximale Leistung und insbesondere die Energieumwandlungseffizienz systematisch untersucht. Wir können die maximale Effizienz und Leistung durch rationelle Auslegung der Parameter, insbesondere der Druckkraft, erzielen. Es ist realistisch und nützlich für effizientere TENGs. Wichtig ist, dass es gute Chancen hat, Standards für die Quantifizierung der Effizienz von TENGs zu etablieren, die die Grundlage für die weitere Industrialisierung und Multifunktionalisierung von TENGs legen.

Methoden

Das grundlegende Funktionsprinzip von TENGs basiert auf Triboelektrifizierung und elektrostatischer Induktion. Es könnte im Hinblick auf die Reibmaterialien ungefähr in zwei Typen eingeteilt werden. Aufgrund der Austrittsarbeit und Reibung werden das dielektrische Material und das Leitermaterial als triboelektrische Paare gewählt. Wie in Abb. 1 dargestellt, besteht die obere Schicht aus einer oberen Elektrode (TE) und einer dielektrischen Schicht kann sich nach oben und unten bewegen, während die untere Elektrode (BE) auf dem Substrat befestigt ist. Die beiden Schichten sind mit einem Lastwiderstand R . verbunden . Der Trenn- und Kontaktvorgang sind in Abb. 1a bzw. b angegeben. Beim Trennprozess fließen Elektronen vom TE zum BE und kehren im Kontaktprozess zum TE zurück.

Das theoretische Modell für den Kontaktmodus von TENGAs. a Trennungsprozess und b Kontaktablauf

Unter der aufgebrachten Kraft F , die obere Schicht hat vollen Kontakt mit der unteren Schicht. Die BE hat positive triboelektrische Ladungen mit der Oberflächenladungsdichte σ während die dielektrische Schicht die gleichen Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen hat. Beim Trennvorgang trennt sich die obere Schicht mit der unteren Schicht im Abstand x (t ). Dies führt zu einer Potenzialdifferenz V (t ) zwischen TE und BE aufgrund des elektrischen Feldes. Um V auszugleichen (t ), fließen Elektronen zwischen den beiden Elektroden durch R . Daher beträgt die Ladung des TE Q während das BE mit Sσ . übrig bleibt − Q . Die elektrische Feldstärke an den beiden Regionen wird nach dem Gauß-Theorem wie folgt angegeben.

Innerhalb der dielektrischen Schicht:

Im Luftspalt:

wo ε ₀ und ε _r sind die Vakuumpermittivität bzw. die relative Permittivität.

Das V (t ) sollte die folgende Gleichung erfüllen:

Aus dem Ohmschen Gesetz, dem V (t ) ist gegeben als

Durch das Zusammenführen von Gleichungen können wir erhalten

Die Gl. (5) ist die maßgebende Gleichung von TENGs. Es kann auf den gesamten Trenn- und Kontaktprozess angewendet werden. Es ist offensichtlich, dass x (t ) ist einer der wichtigsten Faktoren von TENGs. Anders als in früheren Arbeiten bauen wir die praktische Bewegungsgleichung auf, anstatt sie direkt anzunehmen. In diesem Papier wird die Bewegungsgleichung des gesamten Prozesses basierend auf der Druckkraft und den experimentellen Bedingungen erstellt.

Ergebnisse und Diskussion

Nicht-Feder-System

Zunächst betrachten wir nur eine konstante Druckkraft F und die Schwerkraft der obersten Schicht. Die Bewegungsgleichung kann wie folgt ermittelt werden (siehe Zusätzliche Datei 1:Hinweis 1 und Abbildung S1 im ESM). In Wirklichkeit ist das x (t ) hat immer einen Maximalwert x _max und minimal Null. Die Bewegungsgleichungen sind also gegeben durch

Die Gl. (6.1) und (6.2) repräsentieren den Trennprozess bzw. den Kontaktprozess.

Dann können wir die überwiesene Gebühr erhalten. (Die detaillierte Herleitung befindet sich in Zusatzdatei 1:Anmerkung 2 im ESM).

Im Trennprozess:

wobei \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F- mg\right)}\) und Q ₀ = Q (t ₀ ) in Gl. (7.1).

Im Kontaktprozess:

wobei \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)}\), Q ₀ kann durch Zuweisung von t . berechnet werden = t ₀ in Gl. (8.1).

Daher kann der Ausgangsstrom abgeleitet werden als I (t ) = dQ /dt und V (t ) = RI (t ).

Anhand der spezifischen Parameter in Tabelle 1 können wir die numerischen Berechnungsergebnisse erhalten.

Die Charakteristik-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R des gesamten Prozesses ist in Abb. 2 dargestellt. Die Verhältnisse der übertragenen Ladungen, des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung bei verschiedenen Lasten im Kontaktprozess sind in den Abb. 2a, c, e dargestellt. Die Verhaltensweisen ähneln denen der vorherigen Studien [25]. Aber der Trennungsprozess wird selten untersucht. Nehmen Sie an, dass die Oberflächenladungen im Trennprozess nach längerer Zeit vollständig auf das TE übertragen werden. Wie in Abb. 2b gezeigt, können im Kurzschlusszustand (SC) die Ladungen im TE vollständig zum BE zurückfließen, wenn die obere Schicht aufhört, sich zu bewegen (t = 2 ms). Die Gebühren können um t . nicht auf null sinken = 2 ms bei R mehr als 1 M beträgt. Während fast alle Gebühren an die BE übertragen werden, wenn R im Trennprozess weniger als 10 MΩ beträgt. Die übertragenen Ladungen beim Kontaktvorgang sind viel geringer als beim Trennvorgang. Dazu trägt die relativ geringe Triebkraft im frühen Kontaktprozess bei. Die Ausgangsstrom-Zeit-Beziehung ist in Fig. 2d aufgetragen. Im SC-Zustand ist der Spitzenstrom fast der gleiche wie beim Trennprozess. Wenn R größer ist, hat die Strom-Zeit-Kurve zwei lokale Maximalwerte, die am Anfang und am Ende der Bewegung liegen. Und der absolute Maximalstrom sinkt dramatisch mit steigendem Widerstand. Die beiden lokalen Maximalwerte am Anfang und am Ende der Bewegung sind auf die ausreichenden Elektronen bzw. die Hochgeschwindigkeitsbewegung zurückzuführen. Die Ausgangsspannung weist den gleichen Verlauf mit dem Strom auf, jedoch einen anderen Betragstrend, wie in Abb. 2f gezeigt (siehe Zusatzdatei 1:Abbildung S2 für den detaillierten Zusammenhang im ESM). Es sollte beachtet werden, dass der absolute maximale Spannungswert im Vergleich zu dem beim Trennprozess viel kleiner ist. Offensichtlich sind Spannung und Strom beim Trenn- und Kontaktiervorgang nicht symmetrisch. Durch die Kombination des Trenn- und Kontaktvorgangs wechseln sich Ausgangsspannung und -strom ab.

Berechnete Ausgangseigenschaften, wenn das Gerät einer konstanten Druckkraft F ausgesetzt ist Übertragene Gebühren-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R im a Kontaktablauf und b Trennungsprozess. Aktuelle-Zeit-Beziehung zu verschiedenen R im c Kontaktablauf und d Trennungsprozess. Spannungs-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R im e Kontaktablauf und f Trennprozess

Außerdem ist der Einfluss verschiedener Parameter auf die Beziehung zwischen Maximalleistung P _max und der entsprechende Widerstand sind in Abb. 3 aufgetragen. Diese verschiedenen Parameter können in Material, Struktur und Versuchszustand unterteilt werden. Zu den Materialparametern gehören beispielsweise die und ε _r . Die strukturellen Parameter sind hauptsächlich die Flächengröße S, x _max und d. Die Druckkraft F ist Experimentparameter. Das sieht man , S , F , und x _max großen Einfluss auf das P _max , wie in Abb. 3a–d gezeigt. Das P _max steigt dramatisch als σ, S , F , und x _max Zunahme. Die Parameter σ und S entscheiden hauptsächlich über die Höhe der zu übertragenden Gebühren. Die Parameter F und x _max beeinflussen hauptsächlich die Bewegungsgleichungen. Der entsprechende optimale Widerstand sinkt mit x _max abnehmend, während es selten von σ, S . betroffen ist , und F. Außerdem sind die Parameter d und ε _r wirken sich selten auf den P aus _max und entsprechenden Widerstand, wie in Fig. 3e, f angegeben. Das ist die effektive Dicke der dielektrischen Schicht d ₀ = d /ε _r was wenig Einfluss auf die Leistung von TENGs hat. Wir können diese Parameter anpassen, um die maximale Leistung zu steuern. Es ist erwähnenswert, dass der entsprechende Widerstand normalerweise der Lastwiderstand der Elektronik ist.

Die Wirkung von Parametern auf P _max und entsprechender Widerstand. Momentanes Leistungsprofil mit R an verschiedenen a Oberflächenladungsdichte σ, b Bereichsgröße S , c Druckkraft F , d maximaler Trennungsabstand x _max , e Dicke der dielektrischen Schicht d , und f ε _r

Federsystem

Für eine beliebtere Experimentierbedingung ist das Federsystem enthalten. Die Druckkraft F wird periodisch angewendet, wie in Abb. 4a gezeigt. Im Trennprozess (T = t ₁ ), gibt es nur die Rückstellkraft von Federn und Schwerkraft, also F = 0. Während des Kontaktvorgangs (T = t ₂ + t ₃ ), die Druckkraft F hinzugefügt. Und es würde noch lange dauern, nachdem die beiden Schichten vollen Kontakt hatten. Die Bewegungskurven sind in Abb. 4b dargestellt. Die berechneten Bewegungsgleichungen und die Ausgabeleistung werden wie folgt abgeleitet. (Zusatzdatei 1:Anmerkung 3 im ESM)

wobei \({\omega}_0^2=k/m\). Und die Gl. (9.1) und (9.2) repräsentieren den Trennprozess bzw. den Kontaktprozess.

Berechnete Eigenschaften des Kontakttrennmodus TENGs. a Die periodische Kraft F . b Die periodische Bewegung der obersten Schicht. c Übertragene Gebühren-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R im Kontakt- und Trennprozess. d Aktuelle-Zeit-Beziehung zu verschiedenen R im Kontakt- und Trennprozess. e Spannungs-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R im Kontakt- und Trennprozess. f Die Beziehungen der momentanen maximalen Leistung mit den Widerständen in Kontakt, Trennung und dem gesamten Prozess

Im Trennprozess:

Im Kontaktprozess:

wo q ₀ sind die Gebühren, die im Trennungsprozess vom BE an das TE übertragen wurden.

Der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung können als I . berechnet werden (t ) = dQ /dt und V (t ) = RI (t ).

Die übertragene Gebühren-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R im vollständigen Prozess ist in Fig. 4c aufgetragen. Der Ladungstransferprozess ist in drei Bereiche unterteilt, die der periodischen Kraft entsprechen. Region I repräsentiert den Trennprozess und der Kontaktprozess beinhaltet die Regionen II und III. In der Region I werden die Gebühren von der BE auf die TE übertragen. Die Gebühren in der TE steigen weiter an. Im Bereich II hängt die Richtung des Ladungsflusses vom Widerstand ab. Die Ladungen im TE nehmen weiter zu, wenn der Widerstand groß ist (R ≥ 1 G). Er steigt bis zum Maximum an und sinkt dann, wenn der Widerstand niedrig ist (R ≤ 100 M). Vor allem, wenn R = 0, werden die Ladungen im Bereich II weiter abnehmen. In der Region III gehen die Gebühren im TE weiter zurück. Der entsprechende Ausgangsstrom des gesamten Prozesses ist in Fig. 4d dargestellt. Der Strom im Trenn- und Kontaktiervorgang hat das entgegengesetzte Vorzeichen. Normalerweise ist der maximale Stromwert beim Trennvorgang etwas größer als beim Kontaktvorgang. Interessanterweise erscheint beim Kontaktvorgang der absolute Maximalstromwert zu Beginn des Kontaktvorgangs oder in dem Moment, in dem sie gerade Kontakt haben. Wenn der Widerstand groß ist, tritt er zu Beginn des Kontaktvorgangs auf, umgekehrt. Die Ausgangsspannung nimmt mit der Zeit zu und nimmt dann ab, wie in Fig. 4e gezeigt. Die Ausgangsspannung würde beim Kontaktvorgang als negativer Wert erscheinen. Und der Absolutwert ist viel kleiner als beim Trennprozess. Diese Zahlen stimmen mit gemessenen experimentellen Graphen in der Literatur überein. Der gemessene Ausgangsstrom ist offensichtlich alternierend und die gemessene Ausgangsspannung ist normalerweise spitzenscharf. Die Beziehungen der momentanen maximalen Leistung mit den Widerständen beim Kontakt, der Trennung und dem gesamten Prozess sind in Abb. 4f dargestellt. Die TENGs erreichen ihre absolute maximale Momentanleistung um 200 MΩ im Trenn- und Kontaktprozess. Während des Kontaktprozesses hat es einen zusätzlichen lokalen Maximalwert von etwa 0,1 MΩ. Im gesamten Prozess erreicht die Momentanleistung also ihren Maximalwert um 200 MΩ. Man sieht, dass sich die Leistungskurve des Kontaktprozesses mit der des Trennprozesses überlappt, wenn der Widerstand groß ist. Da der maximale Stromwert am Schnittpunkt der beiden Prozesse erscheint, wenn R ≥ 200 M.

Darüber hinaus sind die berechneten Ergebnisse von P _max und der entsprechende optimale Widerstand sind in Fig. 5 aufgetragen. Wie in den Fig. 5a–c angegeben, steigt die maximale Momentanleistung mit den Parametern x _max , S , und k Zunahme. Dies kann zur schnelleren Übertragungsgeschwindigkeit der Elektronen beigetragen werden. Gleichzeitig ändert sich auch der entsprechende optimale Widerstand. Der optimale Widerstand sinkt mit S und k steigend, aber umgekehrter Trend mit x _max . Der Einfluss der Parameter σ auf den P _max und der optimale Widerstand ist in Fig. 5d gezeigt. Das P _max steigt schnell mit steigendem σ an, während der optimale Widerstand konstant bleibt. Der optimale Widerstand wird auch nicht durch ε . beeinflusst _r . Aber als ε _r steigt, die maximale Momentanleistung steigt und wird dann gesättigt. Die F hat fast keinen Einfluss auf die maximale Momentanleistung und den optimalen Widerstand. Im gesamten Kontakt- und Trennungsprozess ist die F wirkt sich nur auf den Kontaktvorgang aus. Der maximale Strom beim Trennvorgang bleibt also gleich. Wie in Fig. 5f dargestellt, ändert sich die maximale Momentanleistung nicht. Dies unterscheidet sich vom Nicht-Feder-System. Im Nicht-Feder-System ist das F wirkt sich direkt auf den Trennvorgang aus, beeinflusst somit die maximale Leistung.

Einfluss der Parameter auf den P _max und entsprechender Widerstand in einem Zyklus. Die Beziehung von P _max und entsprechender Widerstand mit den Parametern a x _max , b S , c k , d , e ε _r , und f F

Mit einem Wort, das P _max kann durch Erhöhen des maximalen Trennungsabstandes x . erhöht werden _max , Bereich S , Federbeiwert k , relative Permittivität der dielektrischen Schicht ε _r , und insbesondere die Oberflächenladungsdichte σ. Zum Beispiel Materialparameter wie ε _r und σ werden normalerweise optimiert, um eine höhere Leistung zu erhalten [28, 29]. Während der optimale Widerstand durch die Parameter x . eingestellt werden kann _max , S , und k . Das P _max und optimale Beständigkeit hängen hauptsächlich von den Material- und Strukturparametern ab.

Konvertierungseffizienz η von TENGs

Manchmal machen wir uns mehr Sorgen um P _max dass wir die η . ignorieren . Der Wirkungsgrad ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung einer Stromquelle. η ist definiert als das Verhältnis zwischen der abgegebenen elektrischen Energie und der zugeführten mechanischen Energie. Hier haben wir den Einfluss dieser Parameter auf den Wirkungsgrad systematisch und direkt untersucht.

Die elektrische Energie und die mechanische Energie werden entsprechend dem Stromimpuls bei optimalem R . gewonnen . Die elektrische Ausgangsenergie ist gegeben durch

wobei die Zeitspanne zwischen t _start und t _Ende drückt einen ganzen Kontakt- und Trennungsprozess aus.

Die berechnete mechanische Energie ist

Somit ist die η wird wie folgt berechnet

Die Beziehung von η mit x _max wurde in Abb. 6a gezeigt. Als x _max erhöht, die Effizienz η nimmt zu und wird dann allmählich gesättigt. Wir wissen, dass die mechanische Energie und maximale Leistung proportional zu x . ist _max . Erhöht jedoch x _max ändert die Spitze der Strom-Zeit-Kurve. Das bedeutet, dass sich die Wachstumsrate verlangsamen wird, wenn x _max ist größer. Der Einfluss der Parameter S , k , und σ auf η sind in Abb. 6b–d dargestellt. Der steigende Trend der Effizienz η mit diesen Parametern ist ähnlich wie bei der maximalen Leistung. Die Effizienz η erhöht sich allmählich mit dem S und k zunehmend. Bemerkenswerterweise kann σ die Effizienz stark beeinflussen η . Der Parameter ε _r ist schwer zu ändern und hat glücklicherweise fast keinen Einfluss auf η wie in Fig. 6e gezeigt. Wie in Abb. 6f gezeigt, beträgt der Wirkungsgrad η nimmt schnell ab, wenn F steigt. Dies wird hauptsächlich zur Erhöhung der mechanischen Energie beigetragen. Offensichtlich ist der Wirkungsgrad relativ gering. Glücklicherweise können wir die Effizienz erheblich steigern, indem wir σ verbessern.

Conversion-Effizienz η von TENG. Das Verhältnis der berechneten Konversionseffizienz zu den Parametern a x _max , b S , c k , d , e ε _r , und f F

In der Praxis jedoch ist das F kann den Parameter σ [30] beeinflussen. Unter kleinem F , die beiden Schichten berühren sich teilweise. Die beiden Schichten können einen besseren Kontakt bekommen als F steigt. Dann der Parameter F kann die Oberflächenladungsdichte σ nahezu beeinflussen. Das heißt, das σ nimmt mit dem F . zu wird dann gesättigt, wie in Abb. 7a gezeigt. Daher haben wir die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung und der Druckkraft F . neu berechnet . Der Einfluss von F zu maximalem Strom, Spannung und Momentanleistung sind in Abb. 7b–d dargestellt. Sie haben eine ähnliche Beziehung zu F . Zum Beispiel steigt die Ausgangsspannung mit F ansteigen und dann konstant halten, was mit den experimentellen Daten in der Literatur übereinstimmt [31, 32]. Der Einfluss von F auf elektrischer Energie ist in Fig. 7e dargestellt. Es ist zu beachten, dass es einen Wendepunkt in der Kurve gibt. Die abgegebene elektrische Energie steigt mit F ansteigend und dann leicht abnehmend. Der leichte Abfall der abgegebenen elektrischen Energie ist auf den kürzeren Kontaktprozess unter größeren F . zurückzuführen . Bei geringer Druckkraft wird das F ist proportional zu σ, was zu einer größeren elektrischen Ausgangsenergie führt. Unter einer großen Druckkraft wird σ jedoch gesättigt. Die beim Trennvorgang übertragenen Ladungen bleiben konstant, während sie beim Kontaktvorgang unter größerer Druckkraft abnehmen. Dadurch sinkt die abgegebene elektrische Energie im gesamten Trenn- und Kontaktiervorgang geringfügig. Die Beziehung von η und F ist in Fig. 7f dargestellt. Interessanterweise ist die η -F Kurve ist eine Spitze-scharf und der maximale Wert erschien bei F ≈ 50 N. Die Eingabe E _mechanisch ist proportional zu F , während E _mechanisch ist viel größer als die Ausgabe E _elektrisch . Unter kleinem F , die Wachstumsrate von E _elektrisch ist schneller als E _mechanisch aufgrund des schnellen Anstiegs von σ. Unter großen F , die Abnahme von E _elektrisch und Erhöhung von E _mechanisch einen geringeren Wirkungsgrad zur Folge haben. Der Wendepunkt in der Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad der Energieumwandlung und der Druckkraft ist wichtig bei der Auslegung einer effektiven Energiequelle.

Das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Druckkraft F in der praktischen Situation. a Einfluss der Druckkraft F auf a Oberflächenladungsdichte σ, b maximaler Strom, c maximale Spannung, d maximale Momentanleistung, e elektrische Energie und f Effizienz

Um eine höhere Ausgangsleistung wie Strom und Momentanleistung zu erhalten, muss eine große Druckkraft F wird in der Regel angewendet. Dies kann jedoch zu einer geringen Umwandlungseffizienz führen. Nach obiger Analyse können wir ein rationales F . wählen um die hohe Leistung sowie die Umwandlungseffizienz zu erhalten.

Schlussfolgerung

Abschließend stellten wir einen praktischen Ansatz zur systemischen und direkten Analyse der Umwandlungseffizienz von Kontaktmodus-TENGs vor. Über die konventionelle Analyse hinausgehend wurde eine Druckkraft eingeführt, um ein vielseitigeres Bewegungsprofil abzuleiten, das ein besseres Verständnis des Funktionsprinzips des Kontakttrennprozesses ermöglichte. Die expliziten Gleichungen für die wichtige Geräteleistung im gesamten Trenn- und Kontaktprozess wurden vorgestellt, im Gegensatz zur herkömmlichen Analyse, die sich nur auf den Trennprozess konzentriert. Zuerst haben wir die Beziehung der Ausgangsleistung zu Material, Struktur und experimentellen Parametern analysiert, die hauptsächlich auf eine höhere Ausgangsleistung abzielte. Dann haben wir den Einfluss dieser Parameter auf die Effizienz der Energieumwandlung im gesamten Prozess systematisch und gründlich untersucht. Wichtig ist, dass ein Wendepunkt in der Beziehung zwischen Umwandlungswirkungsgrad und Druckkraft gefunden wurde. Die TENGs mit hoher Ausgangsleistung und hohem Umwandlungswirkungsgrad können gleichzeitig unter optimaler Kraft erreicht werden. Es ist realistisch und nützlich für effizientere TENGs. Wichtig ist, dass es gute Chancen hat, Standards für die Quantifizierung der Effizienz von TENGs zu etablieren, die die Grundlage für die weitere Industrialisierung und Multifunktionalisierung von TENGs legen.

Abkürzungen

BE:

Untere Elektrode

TE:

Top-Elektrode

TENGs:

Triboelektrische Nanogeneratoren