Core-Shell Fiber-based 2D geweven tribo-elektrische nanogenerator voor effectieve bewegingsenergiewinning

Resultaten en discussie

Door gebruik te maken van de twisttechnologie bij de textielproductie, werd een kern-schaal structurele composietvezel gefabriceerd met metaaldraad als centrale elektrode en naaigarens als buitenste wrijvingslagen. De 2DW-WTNG werd verder vervaardigd door twee soorten composietvezels met kern-schaalstructuur te weven via een orthotroop weefproces. Figuur 1a toont de structurele illustratie van de 2DW-WTNG met twee dezelfde onderdelen. In elk deel van de 2DW-WTNG werden nylon/koper-composietvezels die in één richting waren gerangschikt verzameld als één elektrode, en polyester/staal-composietvezels die in de andere richting waren gerangschikt, werden verzameld als de andere elektrode. Twee soorten composietvezels werden geprepareerd met behulp van een zelfgemaakte roterende opstelling die werkte als een draaiende machine in de fabriek. Scanning elektronenmicroscoop (SEM) afbeeldingen getoond in Fig. 1a en c onthullen het uiterlijk van het oppervlak van de oorspronkelijke nylondraad met een diameter van respectievelijk 110 m en polyesterdraad met een diameter van 200 m. Figuren 1d en e zijn de optische afbeeldingen van respectievelijk de geprepareerde nylon/kopercomposietvezel en polyester/staalcomposietvezel, waaruit de kern-schaalstructuur duidelijk kan worden waargenomen. Figuur 1f toont een optisch beeld van de uiteindelijke 2DW-WTNG, gemaakt van vier groepen nylon/kopercomposietvezels en vier groepen polyester/staalcomposietvezels. Met de geweven structuur in lengte en breedte, lijkt het op een stuk gewone stof, en het gedetailleerde fabricageproces wordt geïllustreerd in het gedeelte "Methoden".

De prestaties van de energieopwekking van de 2DW-WTNG worden bestudeerd. Zoals getoond in Fig. 2a, werden het bovenste deel en het onderste deel van de 2DW-WTNG tegenover elkaar geplaatst, en het bovenste deel kan naar rechts en links tegen het onderste deel schuiven. Zodra er relatieve verschuiving optrad tussen het bovenste deel en het onderste deel, wreven de contactoppervlakken met elkaar. Aangezien polyester tribo-elektrisch negatiever is dan nylon volgens de tribo-elektrische reeks, worden elektronen van nylon in polyester geïnjecteerd, waardoor positieve tribo-elektrische ladingen op het nylon oppervlak en negatieve ladingen op het polyester oppervlak worden geproduceerd. Toen het bovenste deel naar rechts gleed en het contactoppervlak in een verkeerd uitgelijnde positie gleed, zoals weergegeven in fase I, ontstond er een netto elektrisch veld als gevolg van niet-gecompenseerde tribo-elektrische ladingen in de verkeerd uitgelijnde gebieden, waardoor vrije elektronen van de elektrode in polyester naar de elektrode werden verplaatst in nylon totdat het elektrische veld werd afgeschermd door de geïnduceerde ladingen op de elektroden. Toen het bovenste deel naar rechts bleef schuiven, kwam het contactoppervlak in een uitgelijnde positie en waren de tribo-elektrische ladingen van tegengestelde tekens volledig in evenwicht, wat leidde tot een terugstroom van de geïnduceerde vrije elektronen (stadium II). Terwijl het naar rechts schuiven voortging, werd het contactoppervlak teruggebracht naar de verkeerd uitgelijnde positie en werden vrije elektronen van de elektrode in polyester naar de elektrode in nylon gedreven, zoals weergegeven in fase III. Hiermee is een cyclus van het elektriciteitsopwekkingsproces voor de 2DW-WTNG afgerond. Geprofiteerd van het roosterontwerp met interfasestructuur tussen nylon/kopercomposietvezel en polyester/staalcomposietvezel, waarbij tijdens dit proces afwisselend lading wordt overgedragen tussen twee elektroden. Experimenteel hangt de initiële contactsituatie af van de plaatsing van het bovenste deel en het onderste deel. Het heeft echter geen invloed op de output van de 2DW-WTNG. Door dezelfde roosterstructuur maakt de initiële contactsituatie geen verschil in de uitgangspiekwaarde maar verandert de richting van de uitgangspiek. Als de initiële contactsituatie positief naar positief is, zal de contactsituatie eerst van positief naar negatief gaan en vervolgens van positief naar positief met een positieve uitgangspiek gevolgd door een negatieve uitgangspiek. Als de initiële contactsituatie daarentegen positief naar negatief is, zal de contactsituatie eerst van positief naar positief gaan en vervolgens van positief naar negatief met een negatieve outputpiek gevolgd door een positieve outputpiek.

Stroomopwekkingskenmerken van de 2DW-WTNG. een Algemeen proces van het elektriciteitsopwekkingsmechanisme. b Uitgangsstroom en c uitgangsspanning van de 2DW-WTNG. De tussenvoegsels in b en c zijn vergrote weergaven van de uitgangsstroom en uitgangsspanning. d Stroom (ononderbroken cirkel) en vermogensdichtheid (open cirkel) van de 2DW-WTNG met verschillende belastingsweerstanden

Een 2DW-WTNG met een afmeting van 15 mm × 15 mm en de roosterbreedte van 7 mm werd getest door periodiek heen en weer te bewegen. De gedetailleerde meetmethode wordt geïllustreerd in de sectie "Methoden". Met een glijdende verplaatsing van 8 mm en een glijdende snelheid van 0,15 m/s produceerde de 2DW-WTNG een continue wisselstroom (AC) output met een maximale amplitude van 575 nA bij een constante frequentie van 2,7 Hz (Fig. 2b). De uitgangsspanning bereikte 6,3 V met dezelfde frequentie als de uitgangsstroom (Fig. 2c). De vergrote weergave van de uitgangsstroom en uitgangsspanning in één werkcyclus zijn ingevoegd in Fig. respectievelijk 2b en c. In één werkcyclus zijn er twee golfpakketten, de ene vertegenwoordigt de eenrichtingsverschuiving naar rechts en de andere vertegenwoordigt de eenrichtingsverschuiving naar links. En er zijn twee positieve pulsen en twee negatieve pulsen in elk golfpakket. Dit resultaat is in overeenstemming met de structuur van het apparaat dat vier groepen nylon/kopercomposietvezels en vier groepen polyester/staalcomposietvezels bevat, zoals weergegeven in figuur 1f, wat verder bevestigt dat de uitvoer in glijdende modus nauw verbonden is met het rooster breedte en roosternummer in het apparaat.

Als stroombron moet de 2DW-WTNG in de praktijk worden aangesloten op externe belastingen. Weerstanden werden gebruikt om de afhankelijkheid van het uitgangsvermogen van de externe belasting te onderzoeken. Afbeelding 2d toont de momentane stroom en de momentane uitgangsvermogensdichtheid versus de externe belastingsweerstand. De momentane uitgangsvermogensdichtheid werd berekend als de verhouding van het momentane uitgangsvermogen (I ² R ) en het gebied van het apparaat. Het bleek dat de momentane stroom daalde met de toename van de belastingsweerstand als gevolg van het ohmse verlies. De momentane vermogensdichtheid nam toe bij lage weerstanden en bereikte een maximale waarde van 2,33 mW/m ² bij de belastingsweerstand van 50 MΩ, en vervolgens afgenomen bij hogere weerstand. Dit resultaat geeft het potentieel aan van de 2DW-WTNG om een ​​voeding te zijn voor sommige persoonlijke elektronische apparaten, vooral voor apparaten met een belastingsweerstand van ongeveer tientallen megohm.

De uitvoerprestaties van de 2DW-WTNG in glijdende aangedreven modus zijn sterk afhankelijk van de scheidingssnelheid van tribo-elektrische lading. Om dit diepgaand te bestuderen, werd de uitvoerprestatie van de 2DW-WTNG met een afmeting van 15 mm × 15 mm en een roosterbreedte van 7 mm gekenmerkt door periodiek bewegen met verschillende relatieve schuifsnelheden met een gegeven schuifverplaatsing van 8 mm. Figuren 3a en b tonen de uitgangsstroom en uitgangsspanning van de 2DW-WTNG met een gemiddelde glijsnelheid van respectievelijk 0,025 m/s, 0,050 m/s, 0,075 m/s, 0,100 m/s en 0,125 m/s. In de stroomcurve en spanningscurve is er een volledige uitgangspiek in 320 ms in eenrichtingsbeweging en een andere uitgangspiek in 320 ms die in de omgekeerde richting beweegt met een glijdende snelheid van 0,025 m/s. Binnen dezelfde werktijd zorgde een toename van de snelheid voor een toename van het getal van de outputpiek van één bij 0,025 m/s tot vijf bij 0,125 m/s. Het was omdat een grotere glijsnelheid de tijd die nodig was voor één werkcyclus verkortte en het aantal werkcycli in dezelfde werktijd verder verhoogde. De huidige piekwaarde werd verhoogd van 101 nA bij 0,025 m/s tot 415 nA bij 0,125 m/s, wat impliceerde dat een verhoging van de glijsnelheid de scheidingssnelheid van de tribo-elektrische lading effectief zou kunnen verhogen en tot een grote uitgangspiekwaarde zou kunnen leiden. . De spanningspiekwaarde werd verhoogd van 3,6 V bij 0,025 m/s tot 6,6 V bij 0,125 m/s, wat het resultaat was van het elektrische meetcircuit. De ingangsweerstanden van het spanningsmeetcircuit en de 2DW-WTNG vormden een RC elektrisch circuit en de lekstroom op de 2DW-WTNG werd verminderd bij het verhogen van de glijsnelheid, wat resulteerde in een continue verbetering van de piekwaarde van de uitgangsspanning. Deze resultaten tonen duidelijk aan dat de outputpiekwaarde nauw verband hield met de glijsnelheid. Afgezien van de glijsnelheid, is de glijverplaatsing een andere factor die de uitvoerprestaties van de 2DW-WTNG grotendeels beïnvloedde. Aangezien de meeste mechanische energie in de beweging van het menselijk lichaam afkomstig is van bewegingen met een kleine amplitude, is het dus noodzakelijk om de zwakke mechanische energie te oogsten. Om dit aspect te onderzoeken, werd de 2DW-WTNG getest door te werken met een glijdende verplaatsing van 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm en 2,0 mm met een vaste schuifsnelheid van 0,1 m/s. De uitgangsstroom en spanning worden getoond in Fig. 3c en d. Zijn outputpiekwaarde nam toe met de glijdende verplaatsing. Bij de kortste verplaatsing van 0,4 mm bereikte de uitgangspiekwaarde respectievelijk 2,3 nA en 0,05 V, wat het vermogen vertoont om mechanische energie van kleine bewegingen op te vangen. Volgens het werkingsmechanisme van de 2DW-WTNG in de horizontaal schuivende modus was er een wisselende ladingsoverdracht bij het schuiven over één rooster. Het is dus veelbelovend om de output van de 2DW-WTNG in glijdende modus verder te verbeteren door de breedte of diameter van de geweven banden of geweven vezels te verkleinen tot kleinere schaal.

Vermogensopwekkingsprestaties van de 2DW-WTNG onder verschillende relatieve schuifsnelheden en relatieve schuifverplaatsingen. een Uitgangsstroom en b uitgangsspanning van de 2DW-WTNG varieerde met de schuifsnelheden van 0,025 m/s, 0,050 m/s, 0,075 m/s, 0,100 m/s en 0,125 m/s bij een gegeven schuifverplaatsing van 8 mm. c Uitgangsstroom en d uitgangsspanning van de 2DW-WTNG varieerde met de glijdende verplaatsingen van 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm en 2,0 mm bij een gegeven schuifsnelheid van 0,100 m/s

Gezien de complexiteit van menselijke activiteiten, kan de bewegingsenergie van het lichaam uit verschillende richtingen komen. Daarom moet een gekwalificeerde WTNG in staat zijn om energie te halen uit lichaamsbewegingen in verschillende richtingen. Met andere woorden, er wordt verwacht dat een WTNG die in de vlak-glijdende modus werkt, langs willekeurige schuifrichtingen werkt. Zoals te zien is in figuur 4a, werden twee delen van de 2DW-WTNG tegenover elkaar geplaatst en het bovenste deel kon over het onderste deel langs de X schuiven. -as. Door de bewegingsrichting aan te houden en het bovenste deel te draaien, ontstond er een hoek (θ ) tussen de schuifrichting en een zijde van het bovendeel. Hier, de θ vertegenwoordigde in wezen de relatieve werkoriëntatie tussen het bovenste deel en het onderste deel van de 2DW-WTNG, wat vereiste dat de 2DW-WTNG in verschillende relatieve werkoriëntaties kon werken. Om dit te verduidelijken, werd de 2DW-WTNG getest op een set van θ waarden (0°, 10°, 20°, 30°, 40° en 50°) aangedreven door de lineaire motor met een glijsnelheid van 0,10 m/s en een glijverplaatsing van 10 mm. Zijn uitgangsstroom en uitgangsspanning bij verschillende θ worden getoond in Fig. 4b en c. Het apparaat genereerde een uitgangsstroom van respectievelijk 134,45 nA en een uitgangsspanning van 2,23 V bij een relatieve werkoriëntatie van 50°. Ondertussen waren, vanwege de symmetrie in het vlak, de uitgangsstroom en uitgangsspanning bij 40° zeer dicht bij die bij 50°. Hoewel de uitgangsstroom en uitgangsspanning licht daalden naarmate θ toeneemt als gevolg van de afname van het effectieve wrijvingsoppervlak veroorzaakt door de niet-overeenkomende roosters tussen het bovenste deel en het onderste deel van de 2DW-WTNG, bevestigden deze experimentele resultaten sterk dat de 2DW-WTNG normaal zou kunnen werken in verschillende werkoriëntaties. Geprofiteerd van de cilindrische composietvezel, zorgde het gladde oppervlak ervoor dat het glijden continu en rustig werd, in plaats van het wiebelende glijden in de smalle roosters met duidelijk opstaande rand gemaakt door een lithografisch proces. Evenzo, als een externe beweging in een willekeurige richting in het vlak werd toegepast op het bovenste deel van de 2DW-WTNG, gleed het langs de bewegingsrichting en wreef het met het onderste deel, en dus zou de bewegingsenergie kunnen worden geoogst en omgezet in elektriciteit .

Aanpassingsvermogen van de 2DW-WTNG die langs willekeurige in-plan richtingen werkt. een Schematisch diagram voor de 2DW-WTNG die op verschillende relatieve oriëntatie werkt. b Uitgangsstroom en c uitgangsspanning van de 2DW-WTNG op verschillende relatieve oriëntatie

Als energieoogster moet de output van de 2DW-WTNG hoog genoeg zijn om sommige elektronische apparaten van stroom te voorzien. Zoals weergegeven in figuur 5a, was de 2DW-WTNG verbonden met een bruggelijkrichter en vervolgens verbonden met twee vertakte circuits. Met de bruggelijkrichter werd de AC-uitgang van de 2DW-WTNG omgezet in gelijkstroom (DC) uitgang. Het gelijkgerichte DC-signaal wordt getoond in Fig. 5b. Bij het aansluiten van de bruggelijkrichter op het eerste vertakte circuit, werd het gelijkgerichte DC-signaal direct gebruikt om de rode LED te laten oplichten, zoals weergegeven in de inzet en in Aanvullend bestand 1:Video S1. Toen de bruggelijkrichter was aangesloten op het tweede vertakte circuit, laadde de elektriciteit van de 2DW-WTNG een commerciële condensator van 0,47 F. De laadcurve wordt getoond in Fig. 5c en de bijbehorende lading die in de condensator is opgeslagen, wordt weergegeven in de inzet. De condensator werd in 1 min opgeladen tot 1,84 V en de bijbehorende ladingsdichtheid bereikte 3,84 mC/m ² . Uit deze twee tests bleek dat de 2DW-WTNG als energieoogstmachine niet alleen als handige noodstroomvoorziening kon worden gebruikt, maar ook energie in een opslagcel kon pompen. Bovendien is de stabiliteit van de 2DW-WTNG een essentiële factor om zijn praktische toepassingen te garanderen. Hier werd de stabiliteit van de 2DW-WTNG getest door deze 12 h continu te laten werken met een schuifsnelheid van 0,1 m/s en een schuifverplaatsing van 8 mm. De stroomcurves in 10 s voor elk uur worden getoond in Fig. 5d, en er is weinig verandering te vinden in de uitgangsstroomwaarde na 12 uur continu werk, wat een zeer stabiele stroomopwekkingsprestatie vertoont. Om de veelzijdigheid van de 2DW-WTNG bij het opvangen van energie in verschillende typen aan te tonen, werd bovendien een groep elektrische metingen uitgevoerd op de 2DW-WTNG. Zoals getoond in de inzet in Fig. 5e, treedt de effectieve wrijving op wanneer het bovenste deel van de 2DW-WTNG eerst verticaal in contact komt met het onderste deel van de 2DW-WTNG (proces I), en vervolgens horizontaal op de onderste 2DW-WTNG wordt geschoven (proces II). Tijdens de meting werd de contact-glijdende-scheidingsbewerking meerdere keren herhaald en de uitgangsstroom wordt weergegeven in figuur 5e. Voor het eerste verticaal contact makende wrijvingsproces was er een hoge maar smalle outputpiek, en vervolgens voor het volgende horizontaal glijdende wrijvingsproces was er een lage maar brede piek. Bij het laatste verticale scheidingsproces voor de volgende meetcyclus zou een hoge maar smalle outputpiek moeten verschijnen, maar deze ontbrak. Dit kan worden toegeschreven aan twee redenen. Een daarvan is dat het bovenste deel van de 2DW-WTNG uit het tegenovergestelde onderste deel van de 2DW-WTNG is geschoven, en het elektrische potentieel was bijna in evenwicht. De andere is dat het laatste verticale scheidingsproces nogal traag was, zodat de elektrische potentiaal snel een evenwicht in de lucht bereikte. De synthetische analyse bevestigde dat deze twee soorten uitgangsstroompieken consistent waren met de kenmerken van de twee werkmodi van 2DW-WTNG, en toonde zijn sterke aanpassingsvermogen om energie op te vangen van verticale positieve druk en horizontale tangentiële kracht in bewegingen van het menselijk lichaam.

Toepassing van de 2DW-WTNG. een Gelijkrichtschakeling met twee aftakcircuits aan de uitgangsklem. b Gerectificeerd uitgangsstroomsignaal. De inzet is een optisch beeld van een rode LED gevoed door het gelijkgerichte stroomsignaal. c Laadcurve voor een commerciële condensator van 0,47 F geladen door de gelijkgerichte stroom. Het inzetstuk zijn de overeenkomstige uitgangsladingen die in de condensator zijn opgeslagen. d Uitgangsstroom van de 2DW-WTNG werkt continu gedurende 12 h. e Uitgangsstroom van de 2DW-WTNG werkt in twee verschillende werkmodi, wat de veelzijdigheid van de 2DW-WTNG aantoont bij het opvangen van bewegingsenergie van het menselijk lichaam. Het werkproces wordt getoond in de bijlage

Aanvullend bestand 1:Video S1. Video van het onmiddellijk oplichten van een rode LED. (AVI 1334 kb)