Fortgeschrittenes theoretisches Framework für Kontaktmodus-Triboelektrische Nanogeneratoren zur Steigerung der Energieumwandlungseffizienz

Zusammenfassung

Mit der raschen Expansion der Elektronik nächster Generation sind tragbare und effiziente Energiequellen zu einem der wichtigsten Faktoren geworden, die die Marktentwicklung behindern. Triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) sind ein potenzieller Kandidat aufgrund ihrer unvergleichlichen Eigenschaften. Hier analysieren wir tiefgehend die Leistung und Umwandlungseffizienz von Kontaktmodus-TENGs unter Berücksichtigung des gesamten Energieumwandlungsprozesses. Erstens wurde über die konventionelle Analyse hinaus eine Druckkraft eingeführt, um ein vielseitigeres Bewegungsprofil abzuleiten, was ein besseres Verständnis des Funktionsprinzips des Kontakt-Trenn-Prozesses ermöglichte. Dann analysierten wir den Einfluss verschiedener Parameter auf die Leistung eingehend. Besonders kann die maximale Effizienz von TENGs unter optimaler Kraft erreicht werden. Dies ist realistisch und nützlich für effizientere TENGs. Darüber hinaus besteht eine gute Chance, Standards zur Quantifizierung der TENG-Effizienz zu etablieren, was die Basis für die weitere Industrialisierung und Multifunktionalisierung der TENG-Technologie legt.

Hintergrund

Künstliche Intelligenz und Cloud-Netzwerke verbessern allmählich unsere moderne Lebensqualität mit der raschen Entwicklung der Elektronik nächster Generation für Smart Home, Gesundheitsmonitoring, Unterhaltung und Umweltüberwachung. Die Stromversorgung dieser großen Mengen an Elektronik ist mit bestehenden Batterietechnologien angesichts ihrer großen Größe, kurzen Lebensdauer und besonders schnellen Ladeproblemen eine unmögliche Mission geworden. Dies ist zu einer der wichtigsten Barrieren für die Entwicklung nachhaltiger Stromquellen für tragbare Elektronik geworden.

Derzeit haben triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs), die auf Triboelektrifizierung basieren, sich als attraktive Technologie zur Ernte mechanischer Energie erwiesen. Sie sind ein vielversprechender Kandidat für tragbare Elektronik aufgrund zahlreicher Vorteile, einschließlich Flexibilität, Kosteneffizienz, einfacher Fertigungsprozesse, Umweltschutz und Vielseitigkeit. Sie wurden breit genutzt, um Energie aus umgebender mechanischer Energie zu ernten. Darüber hinaus können sie mit tragbaren Geräten für selbstversorgende Anwendungen integriert werden. Bisher wurden viele Methoden zur Steigerung der Leistung genutzt, einschließlich Oberflächenmorphologie, Materialoptimierung, Ladungsinjektion, Strukturoptimierung und Multi-Nanogeneratoren. Trotz des raschen Fortschritts in der Ausgangsleistung fehlt ein definitives Modell zur Analyse der Energieumwandlungseffizienz. Zahlreiche theoretische Erklärungen wurden für verschiedene TENG-Moden veröffentlicht. Die meisten Analysen diskutieren jedoch nicht den gesamten Energieumwandlungsprozess und fokussieren sich nur auf die Ausgangsleistung. Wichtiger noch, höhere Ausgangsleistung bedeutet nicht höhere Energieumwandlungseffizienz und kann sogar kontraproduktiv sein. Dies hat die Entwicklung effizienterer TENGs aufgrund fehlender direkter Studien zur Energieumwandlungseffizienz etwas behindert.

In dieser Arbeit analysierten wir systematisch und direkt die Leistung und Umwandlungseffizienz von Kontaktmodus-TENGs unter Berücksichtigung des gesamten Prozesses. Erstens wurde über die konventionelle Analyse hinaus eine Druckkraft eingeführt, um ein vielseitigeres Bewegungsprofil abzuleiten, was ein besseres Verständnis des Funktionsprinzips des Kontakt-Trenn-Prozesses ermöglichte. Dann wurden gemäß den 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 erforscht. Wir können maximale Effizienz und Leistung durch rationale Parametergestaltung, insbesondere Druckkraft, erhalten. Dies ist realistisch und nützlich für effizientere TENGs. Wichtig ist, dass dies die Chance bietet, Standards zur Quantifizierung der TENG-Effizienz zu etablieren, was die Basis für die weitere Industrialisierung und Multifunktionalisierung der TENGs legt.

Methoden

Das grundlegende Funktionsprinzip von TENGs basiert auf Triboelektrifizierung und elektrostatischer Induktion. Es kann annähernd in zwei Typen hinsichtlich der Reibungsmaterialien klassifiziert werden. Aufgrund der Austrittsarbeit und Reibung werden das Dielektrikum und das Leitermaterial als triboelektrisches Paar gewählt. Wie in Abb. 1 dargestellt, besteht die obere Schicht aus der oberen Elektrode (TE) und der Dielektrikumschicht, die sich auf und ab bewegen kann, während die untere Elektrode (BE) auf dem Substrat fixiert ist. Die beiden Schichten sind mit einem Lastwiderstand R verbunden. Trenn- und Kontaktprozess sind in Abb. 1a, b angegeben. Im Trennprozess fließen Elektronen von der TE zur BE, und im Kontaktprozess kehren sie zur TE zurück.

Unter der applizierten Kraft F wird die obere Schicht vollständig mit der unteren Schicht in Kontakt kommen. Die BE wird positive triboelektrische Ladungen mit der Flächenladungsdichte σ haben, während die Dielektrikumschicht die gleichen Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen hat. Im Trennprozess trennt sich die obere Schicht von der unteren Schicht mit einem Abstand x(t). Dies resultiert in einer Potentialdifferenz V(t) zwischen TE und BE aufgrund des elektrischen Feldes. Um V(t) auszugleichen, fließen Elektronen zwischen den beiden Elektroden durch R. Daher ist die Ladung der TE Q, während die BE mit Sσ − Q verbleibt. Die elektrische Feldstärke in den beiden Bereichen wird gemäß dem Gaussschen Theorem wie folgt gegeben.

Innerhalb der Dielektrikumschicht:

$$ {E}_{\mathrm{dielectric}}=-\frac{Q}{S{\varepsilon}_0{\varepsilon}_r} $$ (1)

Innerhalb des Luftspalts:

$$ {E}_{\mathrm{air}}=\frac{\sigma_0-Q/S}{\varepsilon_0} $$ (2)

wobei ε₀ und ε_r die Vakuumpermittivität und die relative Permittivität sind.

Das V(t) muss die folgende Gleichung erfüllen:

$$ V(t)={E}_{\mathrm{dielectric}}d+{E}_{\mathrm{air}}x(t) $$ (3)

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

$$ V(t)= RI(t)=R\frac{dQ}{dt} $$ (4)

Durch Zusammenführen der Gleichungen erhalten wir:

$$ \frac{dQ}{dt}+\frac{d_0+x(t)}{RS{\varepsilon}_0}\times Q=\frac{\sigma x(t)}{R{\varepsilon}_0} $$ (5)

Gleichung (5) ist die Governing-Gleichung der TENGs. Sie kann auf den gesamten Trenn- und Kontaktprozess angewendet werden. Es ist offensichtlich, dass x(t) einer der wichtigsten Faktoren von TENGs ist. Anders als in früheren Arbeiten bauen wir die praktische Bewegungsgleichung statt sie direkt anzunehmen. In dieser Arbeit wird die Bewegungsgleichung im gesamten Prozess basierend auf der Druckkraft und experimentellen Bedingungen aufgebaut.

Ergebnisse und Diskussion

Nicht-Federsystem

Zunächst betrachten wir nur eine konstante Druckkraft F und die Gravitation der oberen Schicht. Die Bewegungsgleichung kann wie folgt erhalten werden (siehe Zusatzdatei 1: Anmerkung 1 und Abbildung S1 im ESM). In der Realität hat x(t) immer einen Maximalwert x_max und Minimum null. So lautet die Bewegungsgleichung:

$$ \left\{\begin{array}{c}\ x(t)=\frac{F- mg}{2m}{t}^2,t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\ \\ {}x(t)={x}_{\mathrm{max}},t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\end{array}\right. $$ (6.1)

$$ \left\{\begin{array}{c}\ x(t)=\frac{F+ mg}{2m}{t}^2,t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\ \\ {}x(t)=0,t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\end{array}\right. $$ (6.2)

Gleichungen (6.1) und (6.2) repräsentieren den Trennprozess und Kontaktprozess, jeweils.

Dann können wir die transferierte Ladung erhalten. (Die detaillierte Herleitung ist in Zusatzdatei 1: Anmerkung 2 im ESM).

Im Trennprozess:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\exp \left(-\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0}\right)\\ {}\times {\int}_0^t\frac{\sigma \left(F- mg\right){t}^2}{2 mR{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0} dt,t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\end{array}} $$ (7.1)

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\frac{\sigma S{x}_{\mathrm{max}}}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-\left(\frac{\sigma S{x}_{\mathrm{max}}}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-{Q}_0\right)\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}\left(t-{t}_0\right)\right),t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\end{array}} $$ (7.2)

wobei \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F- mg\right)} \), und Q₀ = Q(t₀) in Gleichung (7.1).

Im Kontaktprozess:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\exp \left(-\frac{6m{d}_0t+\left(F+ mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0}\right)\\ {}\times \left(\sigma S+{\int}_0^t\frac{\sigma \left(F+ mg\right){t}^2}{2 mR{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\frac{6m{d}_0t+\left(F+ mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0} dt\right),t<\sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\end{array}} $$ (8.1)

$$ Q(t)={Q}_0\times \exp \left(\frac{d_0{t}_0-{d}_0t}{RS{\varepsilon}_0}\right),t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}} $$ (8.2)

wobei \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} \), Q₀ kann durch Zuweisung von t = t₀ in Gleichung (8.1) berechnet werden.

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

Gemäß den spezifischen Parametern in Tabelle 1 können wir die numerischen Berechnungsergebnisse erhalten.

Die Charakteristik-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R im gesamten Prozess wird in Abb. 2 dargestellt. Die transferierten Ladungen, Ausgangsstrom und Ausgangsspannungsbeziehungen bei verschiedenen Lasten im Kontaktprozess sind in Abb. 2a, c, e gezeigt. Die Verhaltensweisen ähneln früheren Studien. Der Trennprozess wird jedoch selten untersucht. Angenommen, die Oberflächenladungen werden nach langer Zeit im Trennprozess vollständig zur TE transferiert. Wie in Abb. 2b gezeigt, können bei Kurzschlussbedingung (SC) die Ladungen in der TE vollständig zur BE zurückfließen, wenn die obere Schicht aufhört sich zu bewegen (t = 2 ms). Die Ladungen können nicht auf null abnehmen bei t = 2 ms, wenn R mehr als 1 MΩ beträgt. Hingegen werden fast alle Ladungen zur BE transferiert, wenn R weniger als 10 MΩ im Trennprozess beträgt. Die transferierten Ladungen im Kontaktprozess sind viel geringer als im Trennprozess. Dies ist auf die relativ kleine Antriebskraft im frühen Kontaktprozess zurückzuführen. Die Ausgangsstrom-Zeit-Beziehung ist in Abb. 2d dargestellt. Bei SC-Bedingung ist der Spitzenstrom fast derselbe wie im Trennprozess. Wenn R größer ist, hat die Strom-Zeit-Kurve zwei lokale Maxima, die am Anfang und Ende der Bewegung liegen. Und der absolute Maximalstrom fällt dramatisch mit zunehmendem Widerstand. Die beiden lokalen Maxima am Anfang und Ende der Bewegung sind auf ausreichende Elektronen und hohe Bewegungsgeschwindigkeit zurückzuführen. Die Ausgangsspannung hat dasselbe Profil wie der Strom, aber einen anderen Trend in der Größenordnung, wie in Abb. 2f gezeigt. Es sei angemerkt, dass der absolute Maximalspannungswert im Vergleich zum Trennprozess viel kleiner ist. Offensichtlich sind Spannung und Strom im Trenn- und Kontaktprozess nicht symmetrisch. Kombiniert man Trenn- und Kontaktprozess, sind Ausgangsspannung und -strom alternierend.

Zusätzlich wird der Einfluss verschiedener Parameter auf die Beziehung zwischen maximaler Leistung P_max und entsprechendem Widerstand in Abb. 3 dargestellt. Diese verschiedenen Parameter können in Material, Struktur und Experimentbedingungen unterteilt werden. Zum Beispiel umfassen Materialparameter σ und ε_r. Strukturparameter sind hauptsächlich Flächengröße S, x_max und d. Die Druckkraft F ist Experimentparameter. Man sieht, dass σ, S, F und x_max die P_max stark beeinflussen, wie in Abb. 3a–d gezeigt. P_max steigt dramatisch mit zunehmendem σ, S, F und x_max. Die Parameter σ und S entscheiden hauptsächlich die Menge der transferierbaren Ladungen. Die Parameter F und x_max beeinflussen hauptsächlich die Bewegungsgleichungen. Der entsprechende optimale Widerstand nimmt mit abnehmendem x_max ab, während er durch σ, S und F selten beeinflusst wird. Zusätzlich beeinflussen die Parameter d und ε_r die P_max und den entsprechenden Widerstand selten, wie in Abb. 3e, f angegeben. Das ist die effektive Dicke der Dielektrikumschicht d₀ = d/ε_r, die wenig Einfluss auf die TENG-Leistung hat. Wir können diese Parameter anpassen, um die maximale Leistung zu kontrollieren. Es ist erwähnenswert, dass der entsprechende Widerstand üblicherweise der Lastwiderstand der Elektronik ist.

Federsystem

Für eine populärere Experimentbedingung wird das Federsystem einbezogen. Die Druckkraft F wird periodisch appliziert, wie in Abb. 4a gezeigt. Im Trennprozess (T = t₁) gibt es nur die Rückstellkraft der Federn und Gravitation, so F = 0. Während im Kontaktprozess (T = t₂ + t₃) die Druckkraft F hinzugefügt wird. Und sie würde noch lange nachdem die beiden Schichten in vollständigen Kontakt kamen andauern. Die Bewegungsverläufe sind in Abb. 4b gezeigt. Die berechneten Bewegungsgleichungen und Ausgangsleistungen werden wie folgt hergeleitet. (Zusatzdatei 1: Anmerkung 3 im ESM)

$$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-{x}_{\mathrm{max}}\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right) $$ (9.1)

$$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}+\frac{F}{k}\cos \left({\omega}_0t\right) $$ (9.2)

wobei \( {\omega}_0^2=k/m \). Und Gleichungen (9.1) und (9.2) repräsentieren den Trennprozess und Kontaktprozess, jeweils.

Im Trennprozess:

$$ {\displaystyle \begin{array}{c}Q(t)={\int}_0^t\frac{\sigma {x}_{\mathrm{max}}\left(1-\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right)\right)}{R{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\left(\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}t-\frac{x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\right)\right) dt\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}t+\frac{x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\right)\right),t<{t}_1\end{array}} $$ (10)

Im Kontaktprozess:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}}{RS{\varepsilon}_0}t+\frac{Fsin\left({\omega}_0t\right)}{kRS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\right)\\ {}\times \left\{{q}_0+{\int}_0^t\mathit{\exp}\left(\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}}{RS{\varepsilon}_0}t-\frac{Fsin\left({\omega}_0t\right)}{kRS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\right)\right.\ \\ {}\ \\ {}\times \left.\frac{\sigma \left({x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}+\frac{F}{k}\cos \left({\omega}_0t\right)\right)}{R{\varepsilon}_0} dt\right\},t<{t}_2\ \end{array}} $$ (11)

$$ Q(t)={Q}_0\times \mathit{\exp}\left(\frac{d_0}{RS{\varepsilon}_0}\left({t}_0-t\right)\right),t\ge {t}_3 $$ (12)

wobei q₀ die Ladungen sind, die im Trennprozess von der BE zur TE transferiert wurden.

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

Die transferierten Ladungen-Zeit-Beziehung bei verschiedenen R im gesamten Prozess ist in Abb. 4c dargestellt. Der Ladungstransferprozess ist in drei Regionen unterteilt, die dem periodischen Kraftverlauf entsprechen. Region I repräsentiert den Trennprozess und der Kontaktprozess enthält Region II und III. In Region I werden Ladungen von der BE zur TE transferiert. Die Ladungen in der TE nehmen weiter zu. In Region II ist die Richtung des Ladungsflusses vom Widerstand abhängig. Die Ladungen in der TE nehmen weiter zu, wenn der Widerstand groß ist (R ≥ 1 GΩ). Sie steigen zum Maximum dann ab, wenn der Widerstand niedrig ist (R ≤ 100 MΩ). Besonders, wenn R = 0, werden die Ladungen in Region II weiter abnehmen. In Region III nehmen die Ladungen in der TE weiter ab. Der entsprechende Ausgangsstrom im gesamten Prozess ist in Abb. 4d gezeigt. Der Strom im Trenn- und Kontaktprozess hat entgegengesetztes Vorzeichen. Normalerweise ist der Maximalstromwert im Trennprozess etwas größer als im Kontaktprozess. Interessanterweise erscheint der absolute Maximalstromwert im Kontaktprozess am Anfang des Kontaktprozesses oder im Moment, wo sie gerade in Kontakt sind. Wenn der Widerstand groß ist, erscheint er am Anfang des Kontaktprozesses, umgekehrt. Die Ausgangsspannung steigt mit der Zeit dann fällt, wie in Abb. 4e gezeigt. Die Ausgangsspannung würde als negativer Wert im Kontaktprozess erscheinen. Und der absolute Wert ist viel kleiner als im Trennprozess. Diese Abbildungen sind konsistent mit gemessenen experimentellen Graphen in der Literatur. Der gemessene Ausgangsstrom ist offensichtlich alternierend, und die gemessene Ausgangsspannung ist meist spitz. Die Beziehungen der instantanen maximalen Leistung mit Widerständen im Kontakt-, Trenn- und gesamten Prozess sind in Abb. 4f gezeigt. Der TENG erreicht seine absolute maximale instantane Leistung um 200 MΩ im Trenn- und Kontaktprozess. Während im Kontaktprozess ein zusätzlicher lokaler Maximalwert um 0,1 MΩ auftritt. So erhält die instantane Leistung im gesamten Prozess ihren Maximalwert um 200 MΩ. Man sieht, dass die Leistungskurve des Kontaktprozesses mit der des Trennprozesses überlappt, wenn der Widerstand groß ist. Weil der Maximalstromwert an der Schnittstelle der beiden Prozesse erscheint, wenn R ≥ 200 MΩ.

Zudem sind die berechneten Ergebnisse von P_max und entsprechendem optimalem Widerstand in Abb. 5 dargestellt. Wie in Abb. 5a–c angegeben, steigt die maximale instantane Leistung mit den Parametern x_max, S und k an. Dies kann auf die schnellere Übertragungsgeschwindigkeit der Elektronen zurückgeführt werden. Gleichzeitig ändert sich auch der entsprechende optimale Widerstand. Der optimale Widerstand nimmt mit S und k zunehmend ab, aber den umgekehrten Trend mit x_max. Der Einfluss von σ auf P_max und optimalen Widerstand ist in Abb. 5d gezeigt. P_max steigt rapide mit zunehmendem σ, während der optimale Widerstand konstant bleibt. Der optimale Widerstand wird auch nicht von ε_r beeinflusst. Aber mit zunehmendem ε_r steigt die maximale instantane Leistung und sättigt dann. F hat fast keinen Einfluss auf die maximale instantane Leistung und den optimalen Widerstand. Im gesamten Kontakt- und Trennprozess beeinflusst F nur den Kontaktprozess. So bleibt der Maximalstrom im Trennprozess gleich. Wie in Abb. 5f illustriert, ändert sich die maximale instantane Leistung nicht. Dies unterscheidet sich vom Nicht-Federsystem. Im Nicht-Federsystem beeinflusst F direkt den Trennprozess, somit die maximale Leistung.

Kurz gesagt, P_max kann durch Erhöhen der maximalen Trennweite x_max, Fläche S, Federkoeffizient k, relativer Permittivität der Dielektrikumschicht ε_r und besonders Oberflächenladungsdichte σ erhöht werden. Zum Beispiel werden Materialparameter wie ε_r und σ üblicherweise optimiert, um höhere Leistung zu erhalten. Während der optimale Widerstand durch die Parameter x_max, S und k angepasst werden kann. P_max und optimaler Widerstand hängen hauptsächlich von Material- und Strukturparametern ab.

Umwandlungseffizienz η von TENGs

Manchmal sind wir mehr an P_max besorgt, dass wir η ignorieren. Effizienz ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung einer Stromquelle. η ist definiert als das Verhältnis zwischen Ausgangselektrischer Energie und Eingangsmechanischer Energie. Hier haben wir systematisch und direkt den Einfluss dieser Parameter auf die Effizienz erforscht.

Die elektrische Energie und mechanische Energie werden gemäß dem Stromimpuls bei optimalem R erhalten. Die Ausgabeelektrische Energie ist gegeben durch:

$$ {E}_{\mathrm{electric}}={\int}_{t_{\mathrm{start}}}^{t_{\mathrm{end}}}{I}^2 Rdt $$ (13)

wobei der Zeitspanne zwischen t_start und t_end einen gesamten Kontakt- und Trennprozess ausdrückt.

Die berechnete mechanische Energie ist:

$$ {E}_{\mathrm{mechanical}}=F\times S $$ (14)

Daher wird η wie folgt berechnet:

$$ \eta =\frac{E_{\mathrm{electric}}}{E_{\mathrm{mechanical}}}\times 100\% $$ (15)

Die Beziehung von η mit x_max wurde in Abb. 6a gezeigt. Mit zunehmendem x_max steigt die Effizienz η und sättigt dann allmählich. Wir wissen, dass mechanische Energie und maximale Leistung proportional zu x_max sind. Jedoch wird die Erhöhung von x_max die Form der Strom-Zeit-Kurve ändern. Das bedeutet, die Wachstumsrate wird langsamer, wenn x_max größer ist. Der Einfluss der Parameter S, k und σ auf η sind in Abb. 6b–d gezeigt. Der zunehmende Trend der Effizienz η mit diesen Parametern ähnelt dem der maximalen Leistung. Die Effizienz η steigt allmählich mit zunehmendem S und k. Bemerkenswert ist, dass σ die Effizienz η stark beeinflussen kann. Der Parameter ε_r ist schwer zu ändern, und glücklicherweise beeinflusst er η kaum, wie in Abb. 6e gezeigt. Wie in Abb. 6f gezeigt, fällt die Effizienz η rapide mit zunehmendem F. Dies ist hauptsächlich auf die Zunahme der mechanischen Energie zurückzuführen. Offensichtlich ist die Effizienz relativ niedrig. Glücklicherweise können wir die Effizienz durch Verbesserung von σ stark erhöhen.

In praktischen Situationen kann jedoch F den Parameter σ beeinflussen. Unter kleiner F sind die beiden Schichten partiell in Kontakt. Die beiden Schichten können besseren Kontakt erhalten, wenn F zunimmt. Dann kann der Parameter F fast die Oberflächenladungsdichte σ beeinflussen. Das heißt, σ steigt mit F dann sättigt, wie in Abb. 7a gezeigt. Daher haben wir die Beziehung zwischen Ausgangsleistung und Druckkraft F neu berechnet. Der Einfluss von F auf maximalen Strom, Spannung und instantane Leistung sind in Abb. 7b–d gezeigt. Sie haben ähnliche Beziehungen mit F. Zum Beispiel steigt die Ausgangsspannung mit F zunehmend und bleibt dann konstant, was mit Experimentdaten in der Literatur konsistent ist. Der Einfluss von F auf elektrische Energie ist in Abb. 7e gezeigt. Es sei angemerkt, dass es einen Wendepunkt in der Kurve gibt. Die Ausgabeelektrische Energie steigt mit F zunehmend und fällt dann leicht. Der leichte Abfall der Ausgabeelektrischen Energie ist auf den kürzeren Kontaktprozess unter größerer F zurückzuführen. Unter kleiner Druckkraft ist F proportional zu σ, was zu größerer Ausgabeelektrischer Energie führt. Unter großer Druckkraft sättigt σ. Die transferierten Ladungen im Trennprozess bleiben konstant, während sie im Kontaktprozess unter größerer Druckkraft abnehmen. So fällt die Ausgabeelektrische Energie im gesamten Trenn- und Kontaktprozess leicht. Die Beziehung von η und F wird in Abb. 7f präsentiert. Interessanterweise ist die η-F-Kurve spitz und der Maximalwert erscheint bei F ≈ 50 N. Die Eingangs-E_mechanical ist proportional zu F, während E_mechanical viel größer als Ausgabe-E_electric ist. Unter kleiner F ist die Wachstumsrate von E_electric schneller als E_mechanical aufgrund des raschen Anstiegs von σ. Unter großer F führen der Abfall von E_electric und Zunahme von E_mechanical zu geringerer Effizienz. Der Wendepunkt in der Beziehung zwischen Energieumwandlungseffizienz und Druckkraft ist wichtig im Design effektiver Stromquellen.

Um höhere Ausgangsleistung wie Strom und instantane Leistung zu erhalten, wird üblicherweise eine große Druckkraft F appliziert. Aber das kann niedrige Umwandlungseffizienz verursachen. Gemäß der obigen Analyse können wir ein rationales F wählen, um hohe Leistung sowie Umwandlungseffizienz zu erhalten.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir einen praktischen Ansatz eingeführt, um die Umwandlungseffizienz von Kontaktmodus-TENGs systematisch und direkt zu analysieren. Über die konventionelle Analyse hinaus wurde eine Druckkraft eingeführt, um ein vielseitigeres Bewegungsprofil abzuleiten, was ein besseres Verständnis des Funktionsprinzips des Kontakt-Trenn-Prozesses ermöglichte. Explizite Gleichungen für die wichtige Geräteleistung im gesamten Trenn- und Kontaktprozess wurden präsentiert, im Gegensatz zur konventionellen Analyse, die sich nur auf den Trennprozess fokussiert. Erstens analysierten wir die Beziehung der Ausgangsleistung mit Material-, Struktur- und Experimentparametern, was hauptsächlich für höhere Ausgangsleistung war. Dann, wichtig, untersuchten wir systematisch und tiefgehend den Einfluss dieser Parameter auf die Energieumwandlungseffizienz im gesamten Prozess. Wichtig wurde ein Wendepunkt in der Beziehung zwischen Umwandlungseffizienz und Druckkraft gefunden. TENGs mit hoher Ausgangsleistung und hoher Umwandlungseffizienz können gleichzeitig unter optimaler Kraft erhalten werden. Dies ist realistisch und nützlich für effizientere TENGs. Wichtig ist, dass dies die Chance bietet, Standards zur Quantifizierung der TENG-Effizienz zu etablieren, was die Basis für die weitere Industrialisierung und Multifunktionalisierung der TENGs legt.

Abkürzungen

BE:

Untere Elektrode

TE:

Obere Elektrode

TENGs:

Triboelektrische Nanogeneratoren