Трибоэлектрические генераторы производят энергию за счет электростатической индукции, когда разнородные изоляционные материалы соединяются и разъединяются.справа и намного ниже).
Две вещи, которые отталкивают более эффективные трибоэлектрические генераторы, по мнению исследовательской группы Кванджу, — это расточительная рекомбинация заряда с задними (отводящими энергию) электродами и накопление заряда, приводящее к отталкиванию заряда на передних поверхностях материалов, когда они предварительно заряжены на производстве.
«При разработке высокопроизводительных ТЭНов крайне важно транспортировать заряд с поверхности в глубокое положение, уменьшая при этом рекомбинацию заряда», — сказал профессор Чанхо Пак.
Что было необходимо, так это механизм для втягивания заряда с передней поверхности в тело трибоэлектрического материала и способ предотвратить попадание этого заряда на задний электрод.
Трибоэлектрические материалы выбраны из-за их способности естественным образом удерживать высокий положительный или отрицательный заряд при воздействии сильного поля во время производства.
Ответом на обе проблемы был градиент удержания заряда, создаваемый слоями углеродных наносфер с различной площадью поверхности (схема слева). «Слои транспортируют, а также удерживают заряды», — сказал Пак.
Каждый из двух облицовочных материалов имеет медный задний электрод, затем слой полимера со сферами диаметром 300 нм с необычайно большой площадью поверхности, 120 м.2/g, чтобы сильно ограничить заряд и предотвратить попадание носителей на электрод.
Градиент исходит из двух последующих слоев по 40 м.2/ г (700 нм) сфер, затем 20 м2/ г (1 мкм) сфер, наконец, увенчанных трибоэлектрической передней поверхностью.
Чтобы получить противоположные потенциалы, одна из структур имеет переднюю поверхность из нейлона 11, а ее углеродные сферы удерживаются в матрице из нейлона 11. У другого передняя поверхность выполнена из ПТФЭ, а сферы удерживаются в поливинилиденовой матрице.
«В результате такого расположения градиента инжектированные заряды [during manufacture pre-charge] могли дрейфовать к электроду, но были ограничены непосредственно перед тем, как достичь его», — сообщает Институт. «С добавлением слоев, удерживающих заряд, исследователи улучшили выходное напряжение и ток ТЭН на 40%. [15.2V to 600V] и семь раз соответственно».
Работа покрыта 'Управляемая трибоэлектрическая серия с использованием градиентного слоя удержания положительного и отрицательного заряда с различными размерами частиц мезопористых углеродных материаловопубликовано в журнале Small Methods
Как они работают
Перенос электрона между поверхностями трибоэлектрических генераторов отсутствует. Вместо этого заряды смещаются внутри материалов по мере их приближения и отступают таким образом, что могут вызывать переменный ток во внешней цепи. Уровни внешней мощности обычно находятся в микроваттном диапазоне.
Изоляционные материалы предварительно заряжены на заводе – один положительный (нейлон в случае Кванджу) и один отрицательный (PTFE/PVD). В исследовании с трехслойной углеродной загрузкой они могли удерживать разность потенциалов до 600 В, но только 15 В без углеродных градиентов.
Взяв изолированную комбинацию нейлон-медь, высокий положительный заряд внутри нейлона будет притягивать электроны в медь, если есть какой-либо внешний путь, по которому электроны могут попасть. Противоположное верно для изолированной комбинации ПТФЭ-PVD-медь, чей отрицательный заряд будет выталкивать электроны из медной подложки.
Если два медных защитных слоя соединены, один может быть источником электронов для другого.
Теперь, если поверхности из ПТФЭ и нейлона сдвинуты вместе [oh, dear reader, for time to draw a diagram]большая часть их сильных электрических полей будет временно нейтрализована друг другом, оставляя мало или вообще не оставляя поля для удержания заряда в слоях меди, что означает, что избыток электронов в меди за нейлоновой стороной устремится обратно в медь за нейлоновой стороной. ПТФЭ/ПВД.
Когда материал снова разрывается, медные электроды снова ощущают свои локальные поля, и электроны снова устремляются вперед.
Именно этот возвратно-поступательный поток электронов между медными электродами можно использовать во внешней цепи.
