Faserbasierter 2D-gewebter triboelektrischer Nanogenerator auf Kern-Schale-Basis zur effektiven Gewinnung von Bewegungsenergie

Einführung

Mit der schnellen Entwicklung der elektronischen Technologie wurden verschiedene tragbare, tragbare und sogar implantierbare persönliche elektronische Geräte erfunden, um unser tägliches Leben zu verbessern [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, 11]. Aufgrund der inhärenten Einschränkungen herkömmlicher Batterien, wie begrenzte Kapazität, kurze Lebensdauer, Wartungsschwierigkeiten und Umweltgefahren [12,13,14], stellen die zunehmende Produktion und die breite Anwendung von persönlichen elektronischen Geräten jedoch dringende Anforderungen an eine neue Stromversorgung [15,16,17,18,19]. Es besteht dringender Bedarf, neue Stromquellen zu entwickeln, die einen nachhaltigen und zeitgerechten Betrieb elektronischer Geräte ermöglichen. Körperbewegungsenergie aus menschlichen täglichen Aktivitäten ist weit verbreitet, unabhängig davon, was Sie tun und wo Sie sich befinden [20]. Wenn diese mechanische Energie effektiv gewonnen und in Elektrizität umgewandelt werden kann, kann sie persönliche elektronische Geräte jederzeit und überall mit Strom versorgen.

Als neuartige stromerzeugende Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Energie in Elektrizität [21,22,23,24] basieren triboelektrische Nanogeneratoren auf der Kopplung des Kontaktelektrisierungseffekts und der elektrostatischen Induktion [25,26,27,28, 29,30]. Sie wurden erfolgreich als nachhaltige Energiequellen für tragbare Elektronik, Sensoren, Umweltmonitore usw. demonstriert [31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44] . Unter ihnen wurde ein tragbarer triboelektrischer Nanogenerator (WTNG) entwickelt, um die Bewegungsenergie des Körpers aus menschlichen Aktivitäten in Elektrizität umzuwandeln [45,46,47]. Die aktuellen WTNGs lassen sich in zwei Kategorien einteilen, ob ein Substrat verwendet wird. Die meisten WTNGs gehören zur ersten Kategorie und haben ihre Elektrode und Reibungsschicht auf einem flexiblen Substrat, wie einer Textilfaser oder einem Stück Stoff, beschichtet [48,49,50,51,52,53]. Sie besitzen eine gute Weichheit, Flexibilität und ein geringes Gewicht. Trotzdem ist die Adhäsion zwischen der beladenen Elektrode und den Substraten schlecht, was ihre Haltbarkeit und Verwendbarkeit stark verringert und diese WTNGs außerdem für eine langfristige Verwendung unzugänglich macht. Die zweite Kategorie von WTNG ist nicht auf zusätzliches Substrat angewiesen und ihre Baumaterialien werden direkt als Reibschichten mit Elektroden verwendet. Ein WTNG auf Basis von Nylongewebe und Polyestergewebe vermeidet gekonnt das Haftungsproblem vom Untergrund [54]. Später wurde eine Art WTNG mit Edelstahl-Leitfaden als Elektrode und Silikonkautschuk und PDMS als Reibschichtmaterialien entwickelt [55,56,57]. Diese WTNGs haben jedoch entweder keine langfristige Robustheit oder einen ziemlich komplizierten Herstellungsprozess, der in der Großserienfertigung verwendet werden kann.

In dieser Arbeit haben wir einen neuartigen 2D-gewebten tragbaren triboelektrischen Nanogenerator (2DW-WTNG) mit den Vorteilen der Robustheit und des kontinuierlichen Produktionsprozesses hergestellt, der sich gut für die Großserienproduktion eignet. Ein 2DW-WTNG mit einer Größe von 1,5 × 1,5 cm ² erzeugte eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom von 6,35 V bzw. 575 nA. Angeschlossen an eine externe Last von 50 MΩ erzeugt es eine maximale Leistungsdichte von 2,33 mW/m ² . Nach Verbindung mit einer Gleichrichterbrücke versorgte der 2DW-WTNG sofort eine handelsübliche Leuchtdiode (LED) ohne Energiespeicherung. Es wurde auch verwendet, um einen 0,47 mF-Kondensator von 0 V auf 1,84 V in 1 min aufzuladen. Darüber hinaus zeigte es eine gute Empfindlichkeit gegenüber externen Bewegungen bis zu einer Verschiebung von 0,4 mm, eine gute Anpassungsfähigkeit, um entlang beliebiger Richtungen in der Ebene und in verschiedenen Arbeitsmodi zu arbeiten, und eine gute Robustheit, um 12 h ohne Beeinträchtigung kontinuierlich zu arbeiten.

Methoden

Herstellung der leitfähigen Nylon/Kupfer-Kern-Schale-Verbundfaser und der leitfähigen Polyester/Stahl-Kern-Schale-Verbundfaser

Die Ausgangsmaterialien für die Nylon/Kupfer-Verbundfaser sind täglich nähbare Nylonfäden (110 µm Durchmesser) und der Kupferlackdraht (60 µm Durchmesser). Die Ausgangsmaterialien für die Polyester/Stahl-Verbundfaser sind das tägliche Nähen von Polyesterfäden (200 µm Durchmesser) und der Stahldraht (60 µm Durchmesser). Zwei Arten von Polymer/Metall-Verbundfasern wurden unter Verwendung eines selbstgebauten rotierenden Trägers hergestellt, wie in Fig. 1 gezeigt. Für die Herstellung der Nylon/Kupfer-Verbundfaser wurde der Kupferlackdraht zuerst in der Mitte des rotierenden Trägers befestigt und dann zwei An zwei Enden des rotierenden Trägers wurden Nylonfäden befestigt. Als nächstes wurde die Oberseite dieser drei Drähte zusammengehalten und aufgehängt. Schließlich wurden ausgehend vom rotierenden Träger Nylonfäden gezwirnt und um den mittleren Kupferdraht gewickelt, und die Nylon/Kupfer-Verbundfaser mit Kern-Schale-Struktur (380 µm Durchmesser) wurde gebildet. Die Herstellung der Polyester/Stahl-Verbundfaser war ähnlich der der Nylon/Kupfer-Verbundfaser, bei der der emaillierte Kupferdraht durch den Stahldraht ersetzt wurde und der Nylonfaden durch den Polyesterfaden ersetzt wurde. Die Kern-Schale-Struktur wurde mit einem fest mit Polyesterfaden ummantelten Stahldraht (385 µm Durchmesser) erreicht. Hier wurden verschiedene Metalldrähte gewählt, um die Stabilität und die Ausgabeleistung des 2D-WTNG in Einklang zu bringen. Im Vergleich zum Stahl wurde der Kupferdraht mit einer dünnen Isolierschicht überzogen, die dazu diente, den Kurzschluss während des Arbeitsprozesses des 2D-WTNG zu vermeiden. Wenn der Stahl als Kernelektrode für beide Fasern gewählt wurde, kann es nach einer langen Bearbeitungszeit zu Reibung und Abrieb kommen, wobei ein Kurzschluss zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode auftreten kann. Dies verringert die Stabilität des 2D-WTNG. Wenn Kupfer als Kernelektrode für beide Fasern gewählt würde, würde der elektrostatische Induktionseffekt durch die Isolierschicht auf der Oberfläche des Kupferdrahts geschwächt, was die Leistung des 2D-WTNG reduziert. Dieses Herstellungsverfahren für die Polymer-Metall-Verbundfaser imitiert das Modell des Twist Tuo, der ein einfaches Werkzeug in Handzwirnen ist. Mit diesem Verfahren kann die Polymer/Metall-Verbundfaser mit einer Zwirnmaschine in der Fabrik in Massenproduktion gebracht werden.

Herstellung und Struktur des 2DW-WTNG. a Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses. REM-Aufnahmen des Nylonfadens (b ) und der Polyesterfaden (c ), bzw. Optische Bilder des mit Nylonfaden beschichteten Kupferdrahts (d ) und der mit Polyesterfaden beschichtete Stahldraht (e ), bzw. f Optische Bilder des 2DW-WTNG

Herstellung des 2DW-WTNG

Die hergestellte leitfähige Nylon/Kupfer-Verbundfaser und die leitfähige Polyester/Stahl-Verbundfaser wurden durch die allgemeine Stricktechnik in das Gewebe integriert. Neun Nylon/Kupfer-Verbundfasern wurden Seite an Seite als Gruppe zusammengefügt, und neun Polyester/Stahl-Verbundfasern wurden Seite an Seite als Gruppe zusammengefügt. Zwei Gruppen von Nylon/Kupfer-Verbundfasern und zwei Gruppen von Polyester/Stahl-Verbundfasern wurden in das WTNG mit 2D-Gewebestruktur eingestrickt. Der obere und der untere Teil des 2DW-WTNG haben eine Größe von 15 mm × 15 mm (bestehend aus 36 Verbundfasern) bzw. 38 mm × 38 mm (bestehend aus 90 Verbundfasern). Ihre Gitterbreite betrug ungefähr 7 mm, wie in Fig. 1 gezeigt. Hier wird die Gitterbreite durch den Durchmesser der Verbundfaser und die Anzahl der in einer Gruppe verwendeten Verbundfasern bestimmt; somit kann die Gitterbreite bequem durch Erhöhen oder Verringern der Anzahl der Verbundfasern in einer Gruppe eingestellt werden. Dieser Webprozess kann in der Fabrik auf einem Webstuhl durchgeführt werden, wenn eine Massenproduktion erforderlich ist.

Messungen des 2DW-WTNG

Der 2DW-WTNG mit einer effektiven Größe von 15 mm × 15 mm und einer Gitterbreite von 7 mm wurde durch periodisches Hin- und Herbewegen getestet. Bei den Messungen wurde der untere 2DW-WTNG auf einem fest auf dem Versuchstisch montierten Kreuztisch fixiert und der obere 2DW-WTNG auf den unteren 2DW-WTNG aufgesetzt und mit einem Linearmotor verbunden. Der obere 2DW-WTNG wird vom Linearmotor mit kontrollierter Verschiebung und Geschwindigkeit angetrieben und führt eine hin- und hergehende Linearbewegung im Bereich des unteren in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Geräts aus, wodurch die effektive Kontaktfläche die ganze Zeit unverändert bleibt .

Ergebnisse und Diskussion

Durch den Einsatz der Zwirntechnologie in der Textilherstellung wurde eine Kern-Schale-Strukturverbundfaser mit Metalldraht als Mittelelektrode und Nähfäden als äußere Reibschichten hergestellt. Das 2DW-WTNG wurde weiter hergestellt, indem zwei Arten von Verbundfasern mit Kern-Schale-Struktur durch einen orthotropen Webprozess gewebt wurden. Abbildung 1a zeigt die strukturelle Darstellung des 2DW-WTNG mit zwei gleichen Teilen. In jedem Teil des 2DW-WTNG wurden in einer Richtung angeordnete Nylon/Kupfer-Verbundfasern als eine Elektrode gesammelt und in der anderen Richtung angeordnete Polyester/Stahl-Verbundfasern als die andere Elektrode gesammelt. Zwei Arten von Verbundfasern wurden unter Verwendung einer selbstgebauten rotierenden Einrichtung hergestellt, die wie eine Zwirnmaschine in der Fabrik funktionierte. Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Bilder, die in den Fign. 1a und c zeigen die Oberflächenbeschaffenheit des anfänglichen Nylonfadens mit einem Durchmesser von 110 µm bzw. des Polyesterfadens mit einem Durchmesser von 200 µm. Die Figuren 1d und e sind die optischen Bilder der hergestellten Nylon/Kupfer-Verbundfaser bzw. Polyester/Stahl-Verbundfaser, aus denen die Kern-Schale-Struktur deutlich beobachtet werden kann. Abbildung 1f zeigt ein optisches Bild des endgültigen 2DW-WTNG, das aus vier Gruppen von Nylon/Kupfer-Verbundfasern und vier Gruppen von Polyester/Stahl-Verbundfasern besteht. Mit der gewebten Struktur ähnelt es in Länge und Breite einem gewöhnlichen Tuch, und der detaillierte Herstellungsprozess ist im Abschnitt „Methoden“ dargestellt.

Die Stromerzeugungsleistung des 2DW-WTNG wird untersucht. Wie in Fig. 2a gezeigt, wurden der obere Teil und der untere Teil des 2DW-WTNG gegenüberliegend befestigt, und der obere Teil kann nach rechts und links gegen den unteren Teil gleiten. Sobald ein relatives Gleiten zwischen dem Oberteil und dem Unterteil auftrat, rieben die Kontaktflächen aneinander. Da Polyester gemäß der triboelektrischen Reihe triboelektrisch negativer ist als Nylon, werden Elektronen von Nylon in Polyester injiziert, wodurch positive triboelektrische Ladungen auf der Nylonoberfläche und negative Ladungen auf der Polyesteroberfläche erzeugt werden. Wenn der obere Teil nach rechts rutschte und die Kontaktfläche in eine falsch ausgerichtete Position rutschte, wie in Stufe I gezeigt, entstand ein elektrisches Nettofeld als Ergebnis unkompensierter triboelektrischer Ladungen in den falsch ausgerichteten Bereichen, wodurch freie Elektronen von der Elektrode im Polyester zur Elektrode nach innen getrieben wurden Nylon, bis das elektrische Feld durch die induzierten Ladungen an den Elektroden abgeschirmt wurde. Als der obere Teil weiter nach rechts rutschte, kam die Kontaktfläche in eine ausgerichtete Position und die triboelektrischen Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen waren vollständig ausgeglichen, was zu einem Rückfluss der induzierten freien Elektronen führte (Stufe II). Als das Rechtsgleiten fortschritt, wurde die Kontaktfläche zurück in die fehlausgerichtete Position gebracht, und freie Elektronen wurden von der Polyesterelektrode zur Nylonelektrode getrieben, wie in Stufe III gezeigt. Folglich wurde ein Zyklus des Stromerzeugungsprozesses für das 2DW-WTNG abgeschlossen. Begünstigt durch das Gitterdesign mit Interphasenstruktur zwischen Nylon/Kupfer-Verbundfaser und Polyester/Stahl-Verbundfaser, wird während dieses Prozesses abwechselnd Ladung zwischen zwei Elektroden übertragen. Experimentell hängt die Erstkontaktsituation davon ab, wie Oberteil und Unterteil platziert werden. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Ausgabe des 2DW-WTNG. Aufgrund der gleichen Gitterstruktur macht die anfängliche Kontaktsituation keinen Unterschied im Ausgangsspitzenwert, sondern ändert die Richtung der Ausgangsspitze. Wenn die anfängliche Kontaktsituation positiv zu positiv ist, wird die Kontaktsituation zuerst positiv zu negativ und dann positiv zu positiv mit einer positiven Ausgangsspitze gefolgt von einer negativen Ausgangsspitze. Im Gegensatz dazu, wenn die anfängliche Kontaktsituation positiv zu negativ ist, wird die Kontaktsituation zuerst positiv zu positiv und dann positiv zu negativ mit einer negativen Ausgangsspitze gefolgt von einer positiven Ausgangsspitze.

Stromerzeugungseigenschaften des 2DW-WTNG. a Gesamtprozess des Stromerzeugungsmechanismus. b Ausgangsstrom und c Ausgangsspannung des 2DW-WTNG. Die Einfügungen in b und c sind vergrößerte Ansichten des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung. d Strom (ausgefüllter Kreis) und Leistungsdichte (offener Kreis) des 2DW-WTNG bei unterschiedlichen Lastwiderständen

Ein 2DW-WTNG mit einer Größe von 15 mm × 15 mm und der Gitterbreite von 7 mm wurde durch periodisches Hin- und Herbewegen getestet. Die detaillierte Messmethode ist im Abschnitt „Methoden“ dargestellt. Mit einer Gleitverschiebung von 8 mm und einer Gleitgeschwindigkeit von 0,15 mm/s erzeugte der 2DW-WTNG einen kontinuierlichen Wechselstromausgang (AC) mit einer maximalen Amplitude von 575 nA bei einer konstanten Frequenz von 2,7 Hz (Abb. 2b). Die Ausgangsspannung erreichte 6,3   V bei derselben Frequenz wie der Ausgangsstrom (Abb. 2c). Die vergrößerten Darstellungen des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung in einem Arbeitszyklus sind in den Fign. 2b bzw. c. In einem Arbeitszyklus gibt es zwei Wellenpakete, eines repräsentiert das Einweggleiten nach rechts und das andere repräsentiert das Einweggleiten nach links. Und es gibt zwei positive Impulse und zwei negative Impulse in jedem Wellenpaket. Dieses Ergebnis stimmt mit der Struktur der Vorrichtung überein, die vier Gruppen von Nylon/Kupfer-Verbundfasern und vier Gruppen von Polyester/Stahl-Verbundfasern enthält, wie in Fig. 1f gezeigt, was weiter bestätigt, dass die Ausgabe im Gleitmodus eng mit dem Gitter verbunden ist Breite und Gitterzahl im Gerät.

Als Stromquelle in der Praxis muss der 2DW-WTNG mit externen Lasten verbunden werden. Widerstände wurden verwendet, um die Abhängigkeit der elektrischen Ausgangsleistung von der externen Last zu untersuchen. Abbildung 2d zeigt den Momentanstrom und die momentane Ausgangsleistungsdichte gegenüber dem externen Lastwiderstand. Die momentane Ausgangsleistungsdichte wurde als Verhältnis der momentanen Ausgangsleistung (I ² R ) und den Bereich des Geräts. Es wurde festgestellt, dass der Momentanstrom aufgrund des ohmschen Verlustes mit zunehmendem Lastwiderstand abfiel. Die momentane Ausgangsleistungsdichte stieg bei niedrigen Widerständen und erreichte einen Maximalwert von 2,33 mW/m ² bei einem Lastwiderstand von 50 MΩ und dann bei einem höheren Widerstand verringert. Dieses Ergebnis zeigt das Potenzial des 2DW-WTNG als Stromversorgung für einige persönliche elektronische Geräte, insbesondere für solche mit einem Lastwiderstand von etwa Dutzenden von Megaohm.

Die Ausgangsleistung des 2DW-WTNG im gleitend angetriebenen Modus hängt stark von der Trennrate der triboelektrischen Ladung ab. Um dies eingehend zu untersuchen, wurde die Ausgangsleistung des 2DW-WTNG mit einer Größe von 15 mm × 15 mm und einer Gitterbreite von 7 mm durch periodische Bewegung mit unterschiedlichen relativen Gleitgeschwindigkeiten bei einer gegebenen Gleitverschiebung von 8 mm charakterisiert. Die Abbildungen 3a und b zeigen den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des 2DW-WTNG bei einer durchschnittlichen Gleitgeschwindigkeit von 0,025 m/s, 0,050 m/s, 0,075 m/s, 0,100 m/s bzw. 0,125 m/s. In der Strom- und Spannungskurve gibt es eine volle Ausgangsspitze in 320 µms in einer Richtung und eine weitere Ausgangsspitze in 320 µms in umgekehrter Richtung bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,025 µm/s. Innerhalb der gleichen Arbeitszeit führte eine Erhöhung der Geschwindigkeit zu einer Erhöhung der Ausgangsspitzenzahl von eins bei 0,025 µm/s auf fünf bei 0,125 µm/s. Dies lag daran, dass eine höhere Gleitgeschwindigkeit die für einen Arbeitszyklus benötigte Zeit verkürzt und die Anzahl der Arbeitszyklen in derselben Arbeitszeit weiter erhöht hat. Der Stromspitzenwert wurde von 101 nA bei 0,025 m/s auf 415 nA bei 0,125 m/s erhöht, was impliziert, dass eine Erhöhung der Gleitgeschwindigkeit die Trenngeschwindigkeit der triboelektrischen Ladung effektiv erhöhen und zu einem großen Ausgangsspitzenwert führen könnte . Der Spannungsscheitelwert wurde von 3,6 V bei 0,025 m/s auf 6,6 V bei 0,125 m/s erhöht, was aus dem Meßstromkreis resultierte. Die Eingangswiderstände der Spannungsmessschaltung und des 2DW-WTNG bildeten eine RC-Schaltung, und der Leckstrom am 2DW-WTNG wurde bei Erhöhung der Gleitgeschwindigkeit reduziert, was zu einer kontinuierlichen Erhöhung des Spitzenwerts der Ausgangsspannung führte. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass der Ausgangsspitzenwert eng mit der Gleitgeschwindigkeit zusammenhängt. Neben der Gleitgeschwindigkeit ist die Gleitverschiebung ein weiterer Faktor, der die Ausgangsleistung des 2DW-WTNG maßgeblich beeinflusst. Wenn man bedenkt, dass der größte Teil der mechanischen Energie bei der Bewegung des menschlichen Körpers aus Bewegungen kleiner Amplitude stammt, ist es daher notwendig, die schwache mechanische Energie zu gewinnen. Um diesen Aspekt zu untersuchen, wurde das 2DW-WTNG getestet, indem bei einer Gleitverschiebung von 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm und 2,0 mm mit einer festen Gleitgeschwindigkeit von 0,1 mm/s gearbeitet wurde. Der Ausgangsstrom und die Spannung sind in den Abb. 1 und 2 dargestellt. 3c und d. Sein Ausgangs-Spitzenwert stieg mit der Gleitverschiebung. Bei der kürzesten Verschiebung von 0,4 mm erreichte der Ausgangsspitzenwert 2,3 nA bzw. 0,05   V, was seine Fähigkeit zeigt, mechanische Energie aus kleinen Bewegungen abzufangen. Entsprechend der Arbeitsweise des 2DW-WTNG im Horizontal-Sliding-Modus kam es beim Gleiten über ein Gitter zu einem alternierenden Ladungstransfer. Daher ist es vielversprechend, die Leistung des 2DW-WTNG im Gleitmodus weiter zu verbessern, indem die Breite oder der Durchmesser der gewebten Riemen oder gewebten Fasern auf einen kleineren Maßstab verringert wird.

Stromerzeugungsleistung des 2DW-WTNG bei unterschiedlichen relativen Gleitgeschwindigkeiten und relativen Gleitverschiebungen. a Ausgangsstrom und b Die Ausgangsspannung des 2DW-WTNG variierte mit den Gleitgeschwindigkeiten von 0,025 µm/s, 0,050 µm/s, 0,075 µm/s, 0,100 µm/s und 0,125 µm/s bei einem gegebenen Verschiebeweg von 8 µm. c Ausgangsstrom und d Die Ausgangsspannung des 2DW-WTNG variierte mit den Gleitverschiebungen von 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm und 2,0 mm bei einer gegebenen Gleitgeschwindigkeit von 0,100 mm/s

Angesichts der Komplexität menschlicher Aktivitäten kann die Bewegungsenergie des Körpers aus verschiedenen Richtungen kommen. Daher sollte ein qualifiziertes WTNG in der Lage sein, Energie aus Körperbewegungen in verschiedene Richtungen zu gewinnen. Mit anderen Worten, von einem WTNG, der im planaren Gleitmodus arbeitet, wird erwartet, dass er entlang beliebiger Gleitrichtungen arbeitet. Wie in Abb. 4a gezeigt, wurden zwei Teile des 2DW-WTNG gegenüberliegend platziert und der obere Teil konnte entlang des X . über den unteren gleiten -Achse. Bei Beibehaltung der Bewegungsrichtung führte das Drehen des oberen Teils zu einem Winkel (θ ) zwischen der Gleitrichtung und einer Seite des Oberteils. Hier die θ stellte im Wesentlichen die relative Arbeitsorientierung zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des 2DW-WTNG dar, was erforderte, dass der 2DW-WTNG in unterschiedlichen relativen Arbeitsorientierungen arbeiten konnte. Um dies zu verdeutlichen, wurde das 2DW-WTNG an einer Reihe von θ . getestet Werte (0°, 10°, 20°, 30°, 40° und 50°), die vom Linearmotor mit einer Gleitgeschwindigkeit von 0,10 m/s und einer Gleitverschiebung von 10 mm angetrieben werden. Sein Ausgangsstrom und seine Ausgangsspannung bei verschiedenen θ sind in den Abbildungen dargestellt. 4b und c. Das Gerät erzeugte einen Ausgangsstrom von 134,45 nA bzw. eine Ausgangsspannung von 2,23 V bei einer relativen Arbeitsausrichtung von 50°. Aufgrund der Symmetrie in der Ebene lagen der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung bei 40° denen bei 50° sehr nahe. Obwohl der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung leicht abnahmen, als θ als Folge der Verringerung der effektiven Reibungsfläche, die durch die nicht übereinstimmenden Gitter zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des 2DW-WTNG verursacht wird, bestätigten diese experimentellen Ergebnisse stark, dass das 2DW-WTNG bei verschiedenen Arbeitsorientierungen normal arbeiten konnte. Begünstigt von der zylindrischen Verbundfaser sorgte seine glatte Oberfläche dafür, dass das Gleiten kontinuierlich und ruhig wurde, anstatt das wackelnde Gleiten in den schmalen Gittern mit offensichtlich erhabenem Rand, die durch lithographische Verfahren hergestellt wurden. Wenn auf den oberen Teil des 2DW-WTNG eine externe Bewegung entlang einer beliebigen Richtung in der Ebene angewendet wurde, rutschte es entlang der Bewegungsrichtung und rieb mit dem unteren Teil, und so konnte die Bewegungsenergie gewonnen und in Elektrizität umgewandelt werden .

Anpassungsfähigkeit des 2DW-WTNG, das entlang beliebiger Richtungen in der Ebene arbeitet. a Schematische Darstellung des 2DW-WTNG bei unterschiedlicher relativer Orientierung. b Ausgangsstrom und c Ausgangsspannung des 2DW-WTNG bei unterschiedlicher relativer Ausrichtung

Als Energy Harvester sollte die Leistung des 2DW-WTNG hoch genug sein, um einige elektronische Geräte mit Strom zu versorgen. Wie in Abb. 5a gezeigt, wurde der 2DW-WTNG mit einem Brückengleichrichter verbunden und dann mit zwei Zweigstromkreisen verbunden. Mit dem Brückengleichrichter wurde der AC-Ausgang des 2DW-WTNG in einen Gleichstrom (DC)-Ausgang umgewandelt. Das gleichgerichtete Gleichstromsignal ist in Fig. 5b gezeigt. Beim Anschließen des Brückengleichrichters an den ersten Zweigstromkreis wurde das gleichgerichtete Gleichstromsignal direkt verwendet, um die rote LED zum Leuchten zu bringen, wie im Einschub und in der Zusatzdatei 1:Video S1 gezeigt. Als der Brückengleichrichter an den zweiten Zweigstromkreis angeschlossen wurde, lud der Strom aus dem 2DW-WTNG einen handelsüblichen 0,47  μF Kondensator auf. Die Ladekurve ist in Fig. 5c gezeigt und die entsprechende im Kondensator gespeicherte Ladungsmenge ist im Einschub gezeigt. Der Kondensator wurde in 1 min auf 1,84 V aufgeladen und die entsprechende Ladungsdichte erreichte 3,84 mC/m ² . Diese beiden Tests zeigten, dass der 2DW-WTNG als Energy Harvester nicht nur als komfortable Notstromversorgung eingesetzt werden kann, sondern auch Energie in eine Speicherzelle einspeisen kann. Darüber hinaus ist die Stabilität des 2DW-WTNG ein wesentlicher Faktor für den praktischen Einsatz. Hier wurde die Stabilität des 2DW-WTNG getestet, indem es 12 h bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,1 m/s und einer Gleitverschiebung von 8 mm kontinuierlich arbeitet. Die Stromkurven in 10 s für jede Stunde sind in Abb. 5d gezeigt, und der Ausgangsstromwert kann nach 12 h ununterbrochener Arbeit nur geringfügig geändert werden, was eine sehr stabile Stromerzeugungsleistung zeigt. Um die Vielseitigkeit des 2DW-WTNG beim Einfangen von Energie in verschiedenen Arten zu demonstrieren, wurde außerdem eine Gruppe von elektrischen Messungen am 2DW-WTNG durchgeführt. Wie im Einschub in Abb. 5e gezeigt, tritt die effektive Reibung auf, wenn der obere Teil des 2DW-WTNG zuerst vertikal mit dem unteren Teil des 2DW-WTNG in Kontakt kommt (Prozess I) und dann horizontal auf dem unteren 2DW-WTNG geschoben wird (Prozess II). Während der Messung wurde der Kontaktierungs-Gleit-Trennvorgang mehrere Male wiederholt und sein Ausgangsstrom ist in Fig. 5e gezeigt. Für den ersten vertikal berührenden Reibungsvorgang gab es einen hohen, aber schmalen Leistungspeak, und dann für den folgenden horizontalen Gleitreibungsvorgang gab es einen niedrigen, aber breiten Peak. Beim letzten vertikalen Trennvorgang für den nächsten Messzyklus sollte eine hohe aber schmale Ausgangsspitze erscheinen, die aber fehlte. Dies kann auf zwei Gründe zurückgeführt werden. Einer ist, dass der obere Teil des 2DW-WTNG aus dem gegenüberliegenden unteren Teil des 2DW-WTNG herausgerutscht ist und das elektrische Potenzial fast ausgeglichen war. Der andere ist, dass der letzte vertikale Trennprozess ziemlich langsam war, sodass das elektrische Potenzial in der Luft schnell ein Gleichgewicht erreichte. Die synthetische Analyse bestätigte, dass diese beiden Arten von Ausgangsstromspitzen mit den Eigenschaften der beiden Arbeitsmodi des 2DW-WTNG übereinstimmten und seine starke Anpassungsfähigkeit zeigten, um Energie aus vertikalem Überdruck und horizontaler Tangentialkraft in menschlichen Körperbewegungen zu fangen.

Anwendung des 2DW-WTNG. a Gleichrichterschaltung mit zwei Abzweigschaltungen an der Ausgangsklemme. b Gleichgerichtetes Ausgangsstromsignal. Der Einschub ist ein optisches Abbild einer roten LED, die durch das gleichgerichtete Stromsignal gespeist wird. c Ladekurve für einen handelsüblichen Kondensator von 0,47  μF, der durch den gleichgerichteten Strom geladen wird. Die Einfügung sind die entsprechenden Ausgangsladungen, die im Kondensator gespeichert sind. d Ausgangsstrom des 2DW-WTNG arbeitet kontinuierlich für 12 h. e Der Ausgangsstrom des 2DW-WTNG arbeitet in zwei verschiedenen Arbeitsmodi, was die Vielseitigkeit des 2DW-WTNG bei der Aufnahme von Bewegungsenergie des menschlichen Körpers demonstriert. Der Arbeitsablauf ist in der Beilage dargestellt

Zusätzliche Datei 1:Video S1. Video des sofortigen Aufleuchtens einer roten LED. (AVI 1334 kb)

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde ein neues WTNG mit 2D-Gewebestruktur als tragbare Energiequelle durch einen leicht skalierbaren Ansatz entwickelt. Dieses 2DW-WTNG hat seine gute Fähigkeit, mechanische Energie in Elektrizität umzuwandeln, bewiesen und eine Stromdichte von bis zu 2,73 mA/m ² . erzeugt . Es könnte sofort eine handelsübliche rote LED mit Strom versorgen, ohne dass ein Energiespeicherprozess erforderlich ist. Es kann auch verwendet werden, um einen 0,47 μF-Kondensator in 1 min auf 1,84 V aufzuladen und die Ladungsdichte erreicht 3,84 mC/m ² in 1 Minute Begünstigt von der Robustheit der Kern-Schale-Strukturfaser und der gewebten Struktur konnte der 2DW-WTNG in beliebigen Gleitrichtungen arbeiten. Darüber hinaus wurde das 2DW-WTNG zur Gewinnung mechanischer Energie in verschiedenen Formen eingesetzt und 12 h kontinuierlich mit konstanter Leistung gearbeitet. Die bemerkenswerte Leistung, Flexibilität, Manövrierfähigkeit und Robustheit ermöglichte es dem 2DW-WTNG, die mechanische Energie aus der menschlichen Körperbewegung zu gewinnen und elektronische Produkte mit geringem Stromverbrauch anzutreiben. Am wichtigsten ist, dass diese Arbeit ein entworfenes Modell für die Massenproduktion von faserbasierten tragbaren Generatoren liefert, das die Entwicklung persönlicher elektronischer Geräte stark fördern wird.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Daten und die Analysen in der aktuellen Arbeit sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

2DW-WTNG:

2D gewebter tragbarer triboelektrischer Nanogenerator

AC:

Wechselstrom

DC:

Gleichstrom

LED:

Leuchtdiode

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

WTNG:

Tragbarer triboelektrischer Nanogenerator