2D-gewebter Core-Shell-Faser-Triboelektrischer Nanogenerator wandelt Körperbewegung in 6 V, 575 nA um, versorgt LEDs und Kondensatoren

Zusammenfassung

Tragbare Elektronik erfordert kompakte, autonome Stromquellen, die ambiente kinetische Energie anzapfen können. Hier präsentieren wir einen zweidimensional gewebten triboelektrischen Nanogenerator (2DW-WTNG) aus Core-Shell-Fasern, der menschliche Bewegung in Elektrizität umwandelt. Das Gerät liefert 6,35 V Spitzen-Spannung und 575 nA Spitzenstrom, entsprechend einer Leistungsdichte von 2,33 mW m⁻² bei 50 MΩ Last. Bemerkenswert ist, dass es Ladung aus Verschiebungen von nur 0,4 mm erzeugt und 12 h kontinuierlich ohne Leistungsverlust betrieben werden kann.

Einleitung

Tragbare, implantierbare und portable Geräte haben proliferiert, doch konventionelle Batterien fallen in Kapazität, Lebensdauer und Umweltauswirkung kurz. Die Nutzung der mechanischen Energie, die in täglicher menschlicher Aktivität inhärent ist, bietet eine nachhaltige Alternative. Triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) wandeln kontaktinduzierte Ladungstrennung und elektrostatische Induktion in nutzbare Elektrizität um. Während zahlreiche TENG-Designs existieren, basieren viele auf fragilen Substraten, die die Haltbarkeit beeinträchtigen. Unser 2DW-WTNG eliminiert diese Limitation, indem es Core-Shell-leitfähige Fasern direkt in ein gewebtes Gewebe integriert, was robuste, skalierbare Produktion ermöglicht.

Methoden

Herstellung von Core-Shell-Kompositfasern

Wir kombinierten Näh-Nylongarne (110 µm) mit emaillierten Kupferdrähten (60 µm) und Näh-Polyestergarne (200 µm) mit Stahldrähten (60 µm) mithilfe eines rotierenden Supports, der Hand-Verdrehen nachahmt. Dieser Prozess ergibt 380-µm-Durchmesser Nylon/Kupfer- und 385-µm-Durchmesser Polyester/Stahl-Fasern, jeweils mit einem Metallkern, umgeben von einer Polymerhülle. Der Kupferkern ist isoliert, um Kurzschlüsse zu verhindern, während der Stahlkern strukturelle Festigkeit bietet.

Weben des 2DW-WTNG

Vier Gruppen Nylon/Kupfer-Fasern und vier Gruppen Polyester/Stahl-Fasern wurden orthogonal verknüpft, um einen 15 mm × 15 mm aktiven Bereich mit 7 mm Gitterbreite zu bilden. Der resultierende Stoff ähnelt konventionellem Textil, was ihn mit industriellen Webstühlen für Massenproduktion kompatibel macht.

Elektrische Charakterisierung

Das Gerät wurde von einem Linearmotor betätigt, der die obere Schicht in einer reziproken Gleitbewegung gegen die untere Schicht antrieb. Ausgangsstrom und -spannung wurden unter variierenden Gleitgeschwindigkeiten, Verschiebungen und relativen Orientierungen aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Der Gleitkontakt zwischen Nylon (triboelektrisch positiv) und Polyester (triboelektrisch negativ) erzeugt alternierenden Ladungstransfer, der Elektronen zwischen den zwei Elektrodenschichten antreibt. Spitzenausgänge von 575 nA und 6,3 V wurden bei 8 mm Verschiebung und 0,15 m s⁻¹ Geschwindigkeit erreicht. Leistungsdichte erreichte 2,33 mW m⁻² bei Anschluss an einen 50 MΩ Widerstand.

Erhöhung der Gleitgeschwindigkeit steigerte Spitzenwerte: bei 0,125 m s⁻¹ stieg der Strom auf 415 nA und die Spannung auf 6,6 V. Kleinere Verschiebungen bis 0,4 mm erzeugten noch messbare Ausgänge (2,3 nA, 0,05 V), was Empfindlichkeit für minimale menschliche Bewegung demonstriert.

Das Gerät behielt Leistung über verschiedene In-Plane-Orientierungen bei, lieferte 134 nA und 2,23 V bei 50° relativem Winkel, was seine Anpassungsfähigkeit an willkürliche Körperbewegungen bestätigt.

Bei Anschluss an einen Brückengleichrichter versorgte der 2DW-WTNG sofort eine rote LED und lud einen 0,47 µF Kondensator auf 1,84 V innerhalb von 1 min, speichernd 3,84 mC m⁻². Kontinuierlicher Betrieb für 12 h zeigte vernachlässigbare Degradation, was seine mechanische Robustheit unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Der 2DW-WTNG demonstriert eine skalierbare, langlebige Plattform für das Ernten menschlicher Bewegungsenergie. Seine Core-Shell-Faserarchitektur und gewebtes Design liefern hohe Spannung, ausreichend Strom für Low-Power-Elektronik und robusten Betrieb unter variierten Bewegungsrichtungen. Diese Technologie ebnet den Weg für wirklich autonome tragbare Geräte.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Daten und Analysen sind auf angemessene Anfrage bei den korrespondierenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

2DW-WTNG

2D gewebter tragbarer triboelektrischer Nanogenerator

AC

Wechselstrom

DC

Gleichstrom

LED

Leuchtdiode

SEM

Rasterelektronenmikroskop

WTNG

Tragbarer triboelektrischer Nanogenerator