Geavanceerd Theoretisch Framework voor Contact-Mode Tribo-elektrische Nanogeneratoren ter Verbetering van Energieomzettingsefficiëntie

Samenvatting

Als de snelle expansie van next-generation elektronica, zijn draagbare en efficiënte energiebronnen een van de belangrijkste factoren die de marktontwikkeling belemmeren. Tribo-elektrische nanogeneratoren (TENGs) zijn een potentiële kandidaat vanwege hun ongeëvenaarde kenmerken. Hier analyseren we diepgaand het vermogen en de omzettingsefficiëntie van contact-mode TENGs rekening houdend met het gehele energieomzettingsproces. Ten eerste, gaand verder dan de conventionele analyse, werd een compressiekracht geïntroduceer om een veelzijdiger bewegingsprofiel af te leiden, wat een beter begrip van het werkingsprincipe van het contact-scheidingsproces gaf. Vervolgens analyseerden we diepgaand de invloed van diverse parameters op de prestaties. Vooral kan de maximale efficiëntie van TENGs behaald worden onder optimale kracht. Dit is realistisch en nuttig voor efficiëntere TENGs. Verder heeft dit onderzoek een goede kans om standaarden te vestigen voor het kwantificeren van de efficiëntie van TENGs, wat de basis legt voor de verdere industrialisatie en multifunctionaliteit van TENG-technologie.

Achtergrond

Kunstmatige intelligentie en cloud-netwerken verbeteren geleidelijk de kwaliteit van ons moderne leven met de snelle ontwikkeling van next-generation elektronica voor slimme huizen, gezondheidsmonitoring, entertainment en omgevingsmonitoring. Het voeden van deze grote hoeveelheden elektronica is een onmogelijke missie geworden met bestaande batterijtechnologieën gezien hun grote grootte, korte levensduur en vooral snelladenproblemen. Het is een van de belangrijkste barrières geworden om duurzame energiebronnen geschikt voor draagbare elektronica te ontwikkelen.

Op dit moment zijn tribo-elektrische nanogeneratoren (TENGs) gebaseerd op tribo-elektrificatie aangetoond als een aantrekkelijke technologie voor het oogsten van mechanische energie. Het is een veelbelovende kandidaat voor draagbare elektronica om zijn talloze voordelen, waaronder flexibiliteit, kosteneffectiviteit, eenvoudig fabricageproces, milieubescherming en veelzijdigheid. Het is breed gebruikt om energie te oogsten uit omgevingsmechanische energie. Verder kan het geïntegreerd worden met draagbare apparaten voor zelfvoorzienende toepassingen. Tot nu toe zijn veel methoden gebruikt voor het verhogen van het vermogen, waaronder oppervlaktemorfologie, materiaaloptimalisatie, ladinginjectie, structuuroptimalisatie en multi-nanogeneratoren. Ondanks de snelle vooruitgang in uitgangsprestaties, ontbreekt een definitief model voor het analyseren van de energieomzettingsefficiëntie. Een aantal theoretische verklaringen zijn gepubliceerd voor verschillende modi van TENGs. Echter, de meeste analyses bespreken niet het gehele energieomzettingsproces en richten zich alleen op het uitgangsvermogen. Belangrijker nog, hoger uitgangsvermogen betekent niet hogere energieomzettingsefficiëntie en kan zelfs contraproductief zijn. Het heeft de ontwikkeling van efficiëntere TENGs enigszins belemmerd vanwege het gebrek aan directe studie naar energieomzettingsefficiëntie.

In dit werk hebben we systematisch en direct het vermogen en de omzettingsefficiëntie van contact-mode TENGs geanalyseerd rekening houdend met het gehele proces. Ten eerste, gaand verder dan de conventionele analyse, werd een compressiekracht geïntroduceerd om een veelzijdiger bewegingsprofiel af te leiden, wat een beter begrip gaf van het werkingsprincipe van het contact-scheidingsproces. Vervolgens, volgens de bewegingsvergelijkingen, werden expliciete vergelijkingen voor de belangrijke apparaatprestaties in het gehele contact- en scheidingsproces gepresenteerd. Ten slotte werd de invloed van materiaaleigenschappen, structurele parameters en experimentele factoren op het maximumvermogen en vooral de energieomzettingsefficiëntie systematisch onderzocht. We kunnen de maximale efficiëntie en vermogen verkrijgen door parameters rationeel te ontwerpen, vooral compressiekracht. Dit is realistisch en nuttig voor efficiëntere TENGs. Belangrijk is dat het een goede kans biedt om standaarden te vestigen voor het kwantificeren van de efficiëntie van TENGs, wat de basis legt voor de verdere industrialisatie en multifunctionaliteit van TENGs.

Methoden

Het basiswerkingsprincipe van TENGs is gebouwd op tribo-elektrificatie en elektrostatische inductie. Het kan benaderend in twee typen worden geclassificeerd gezien de wrijvingsmaterialen. Vanwege de werkfunctie en wrijving worden het dielektrische materiaal en het geleidende materiaal gekozen als de tribo-elektrische paren. Zoals weergegeven in Fig. 1, bestaat de bovenlaag uit de top-elektrode (TE) en de dielektrische laag die omhoog en omlaag kan bewegen, terwijl de bottemelektrode (BE) vastzit op het substraat. De twee lagen zijn verbonden met een lastweerstand R. Het scheidings- en contactproces worden aangegeven in Fig. 1a, b respectievelijk. In het scheidingsproces vloeien elektronen naar de BE vanuit de TE, en keren ze terug naar de TE in het contactproces.

Onder de toegepaste kracht F, maakt de bovenlaag volledig contact met de onderlaag. De BE zal positieve tribo-elektrische lading hebben met de oppervlakteladingsdensiteit σ, terwijl de dielektrische laag dezelfde ladingen met tegenovergestelde teken heeft. In het scheidingsproces scheidt de bovenlaag van de onderlaag met een afstand x(t). Dit resulteert in een potentiaalverschil V(t) tussen de TE en BE door het elektrisch veld. Om V(t) te compenseren, zullen elektronen vloeien tussen de twee elektroden door R. Daarom is de lading van de TE Q, terwijl de BE overblijft met Sσ − Q. De elektrisch veldsterkte in de twee regio's wordt als volgt gegeven volgens de stelling van Gauss.

Binnen de dielektrische laag:

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

Binnen de luchtspeling:

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

waarbij ε₀ en ε_r de vacuümpermittiviteit en de relatieve permittiviteit zijn, respectievelijk.

De V(t) moet de volgende vergelijking voldoen:

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

Uit de wet van Ohm is de V(t) gegeven als

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

Door vergelijkingen te combineren, kunnen we verkrijgen

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

Vergelijking (5) is de governerende vergelijking van TENGs. Deze kan worden toegepast op het gehele scheidings- en contactproces. Het is duidelijk dat x(t) een van de belangrijkste factoren van TENGs is. In tegenstelling tot eerdere werk, bouwen we de praktische bewegingsvergelijking op in plaats van deze direct aan te nemen. In dit artikel wordt de bewegingsvergelijking in het gehele proces opgebouwd gebaseerd op de compressiekracht en experimentele condities.

Resultaten en Discussie

Non-Veer Systeem

Ten eerste overwegen we alleen een constante compressiekracht F en de zwaartekracht van de bovenlaag. De bewegingsvergelijking kan als volgt worden verkregen (zie Additioneel bestand 1: Noot 1 en Figuur S1 in de ESM). In de realiteit heeft x(t) altijd een maximumwaarde x_max en minimum nul. Dus de bewegingsvergelijkingen zijn gegeven door

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

Vergelijkingen (6.1) en (6.2) vertegenwoordigen respectievelijk het scheidingsproces en contactproces.

Dan kunnen we de overgedragen lading verkrijgen. (De gedetailleerde afleiding is in Additioneel bestand 1: Noot 2 in de ESM).

In het scheidingsproces:

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

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

In het contactproces:

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

waarbij \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} \), Q₀ kan berekend worden door t = t₀ in te vullen in Vergelijking (8.1).

Daarom kan de uitgangsstroom worden afgeleid als I(t) = dQ/dt en V(t) = RI(t).

Volgens de specifieke parameters weergegeven in Tabel 1, kunnen we de numerieke berekeningsresultaten verkrijgen.

De kenmerken-tijd relatie bij verschillende R in het gehele proces wordt weergegeven in Fig. 2. De overgedragen lading, uitgangsstroom en uitgangsspanning relaties bij verschillende lasten in het contactproces worden getoond in Fig. 2a, c, e. Het gedrag is vergelijkbaar met eerdere studies. Maar het scheidingsproces is zelden bestudeerd. Neem aan dat de oppervlakteladingen volledig overgedragen worden naar de TE in het scheidingsproces na een lange tijd. Zoals getoond in Fig. 2b, bij kortsluiting (SC) conditie, kunnen de ladingen in de TE volledig terugvloeien naar de BE wanneer de bovenlaag stopt met bewegen (t = 2 ms). De ladingen kunnen niet naar nul dalen bij t = 2 ms wanneer R meer dan 1 MΩ is. Terwijl bijna alle ladingen overgedragen worden naar de BE wanneer R minder dan 10 MΩ is in het scheidingsproces. De overgedragen ladingen in het contactproces zijn veel minder dan in het scheidingsproces. Dit komt door de relatief kleine dryfkracht in het vroege contactproces. De uitgangsstroom-tijd relatie is geplot in Fig. 2d. Bij SC conditie is de piekstroom bijna hetzelfde als in het scheidingsproces. Wanneer R groter is, heeft de stroom-tijd curve twee lokale maximum waarden, wat aan het begin en het einde van de beweging is. En het absolute maximum stroom daalt dramatisch als de weerstand toeneemt. De twee lokale maximum waarden aan het begin en einde van de beweging zijn te wijten aan de adequaat elektronen en hoge-snelheidsbeweging, respectievelijk. De uitgangsspanning heeft hetzelfde profiel als de stroom, maar een andere trend in magnitude, zoals getoond in Fig. 2f (zie Additioneel bestand 1: Figuur S2 voor de gedetailleerde relatie in de ESM). Het moet worden opgemerkt dat de absolute maximum spanning waarde veel kleiner is vergeleken met die in het scheidingsproces. Duidelijk is dat de spanning en stroom niet symmetrisch zijn in het scheidings- en contactproces. Combinatie van scheidings- en contactproces, de uitgangsspanning en stroom zijn wisselend.

Daarnaast wordt de invloed van diverse parameters op de relatie tussen maximumvermogen P_max en corresponderende weerstand geplot in Fig. 3. Deze verschillende parameters kunnen worden verdeeld in materiaal, structuur en experimentele conditie. Bijvoorbeeld, de materiaalparameters omvatten de σ en ε_r. De structurele parameters zijn voornamelijk oppervlaktegrootte S, x_max en d. De compressiekracht F is experimentele parameter. Men ziet dat σ, S, F, en x_max de P_max sterk beïnvloeden, zoals getoond in Fig. 3a–d. De P_max neemt dramatisch toe als σ, S, F, en x_max toenemen. De parameter σ en S beslissen voornamelijk de hoeveelheid ladingen die kunnen worden overgedragen. De parameters F en x_max beïnvloeden voornamelijk de bewegingsvergelijkingen. De corresponderende optimale weerstand daalt met x_max dalend, terwijl het zelden beïnvloed wordt door σ, S en F. Daarnaast beïnvloeden de parameters d en ε_r zelden de P_max en corresponderende weerstand, zoals aangegeven in Fig. 3e, f. Dat is de effectieve dikte van de dielektrische laag d₀ = d/ε_r die weinig invloed heeft op de prestaties van TENGs. We kunnen deze parameters aanpassen om het maximumvermogen te controleren. Het is de moeite waard om op te merken dat de corresponderende weerstand meestal de lastweerstand van elektronica is.

Veer Systeem

Voor een populairere experimentele conditie is het veersysteem opgenomen. De compressiekracht F wordt periodiek toegepast, zoals getoond in Fig. 4a. In het scheidingsproces (T = t₁), is er alleen herstellende kracht van veren en zwaartekracht, dus F = 0. Terwijl in het contactproces (T = t₂ + t₃), wordt de compressiekracht F toegevoegd. En het zou nog lang duren nadat de twee lagen volledig contact maken. De bewegingscurven worden getoond in Fig. 4b. De berekende bewegingsvergelijkingen en uitgangsprestaties worden als volgt afgeleid. (Additioneel bestand 1: Noot 3 in de 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)

waarbij \( {\omega}_0^2=k/m \). En Vergelijkingen (9.1) en (9.2) vertegenwoordigen respectievelijk het scheidingsproces en contactproces.

In het scheidingsproces:

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

In het contactproces:

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

waarbij q₀ de ladingen zijn die overgedragen zijn van de BE naar de TE in het scheidingsproces.

De uitgangsstroom en spanning kunnen berekend worden als I(t) = dQ/dt en V(t) = RI(t).

De overgedragen lading-tijd relatie bij verschillende R in het volledige proces wordt geplot in Fig. 4c. Het ladingsoverdrachtsproces is verdeeld in drie regio's, wat overeenkomt met de periodieke kracht. Regio I vertegenwoordigt het scheidingsproces en het contactproces bevat regio's II en III. In regio I worden de ladingen overgedragen naar de TE vanuit de BE. De ladingen in de TE blijven toenemen. In regio II is de richting van ladingstroom gerelateerd aan de weerstand. De ladingen in de TE blijven toenemen wanneer de weerstand groot is (R ≥ 1 GΩ). Het neemt toe tot het maximum dan daalt het wanneer de weerstand laag is (R ≤ 100 MΩ). Vooral, wanneer R = 0, zullen de ladingen blijven dalen in regio II. In regio III blijven de ladingen in de TE dalen. De corresponderende uitgangsstroom in het gehele proces wordt getoond in Fig. 4d. De stroom in het scheidings- en contactproces heeft het tegenovergestelde teken. Meestal is de maximumstroomwaarde in het scheidingsproces iets groter dan die in het contactproces. Interessant, in het contactproces verschijnt de absolute maximumstroomwaarde aan het begin van het contactproces of het moment dat ze net in contact zijn. Wanneer de weerstand groot is, verschijnt het aan het begin van het contactproces, vice versa. De uitgangsspanning neemt toe met de tijd dan daalt het, zoals getoond in Fig. 4e. De uitgangsspanning zou als een negatieve waarde verschijnen in het contactproces. En de absolute waarde is veel kleiner dan die in het scheidingsproces. Deze figuren zijn consistent met gemeten experimentele grafieken in de literatuur. De gemeten uitgangsstroom is duidelijk wisselend, en de gemeten uitgangsspanning is meestal piek-scherp. De relaties van instantane maximumvermogen met weerstanden in het contact-, scheidings- en het gehele proces worden getoond in Fig. 4f. De TENGs bereikt zijn absolute maximum instantane vermogen rond 200 MΩ in het scheidings- en contactproces. Terwijl in het contactproces het een additionele lokale maximumwaarde heeft rond 0,1 MΩ. Dus in het gehele proces krijgt het instantane vermogen zijn maximumwaarde rond 200 MΩ. Men ziet dat de vermogencurve van het contactproces overlapt op die van het scheidingsproces wanneer de weerstand groot is. Omdat de maximumstroomwaarde verschijnt op het snijpunt van de twee processen wanneer R ≥ 200 MΩ.

Daarnaast worden de berekende resultaten van P_max en corresponderende optimale weerstand geplot in Fig. 5. Zoals aangegeven in Fig. 5a–c, neemt het maximum instantane vermogen toe als de parameters x_max, S en k toenemen. Dit kan bijgedragen worden aan de snellere overdrachtssnelheid van de elektronen. Tegelijkertijd verandert de corresponderende optimale weerstand ook. De optimale weerstand daalt met S en k toenemend, maar de omgekeerde trend met x_max. De invloed van parameter σ op de P_max en optimale weerstand wordt getoond in Fig. 5d. De P_max neemt snel toe met σ toenemend, terwijl optimale weerstand constant blijft. De optimale weerstand wordt ook niet beïnvloed door ε_r. Maar als ε_r toeneemt, neemt het maximum instantane vermogen toe en verzadigt het dan. De F heeft bijna geen invloed op het maximum instantane vermogen en optimale weerstand. In het gehele contact- en scheidingsproces beïnvloedt F alleen het contactproces. Dus de maximumstroom in het scheidingsproces blijft hetzelfde. Zoals geïllustreerd in Fig. 5f, verandert het maximum instantane vermogen niet. Dit is anders dan het non-veersysteem. In het non-veersysteem beïnvloedt F direct het scheidingsproces, dus beïnvloedt het het maximumvermogen.

Kortom, de P_max kan verhoogd worden door de maximale scheidingsafstand x_max, oppervlakte S, veercoëfficiënt k, relatieve permittiviteit van de dielektrische laag ε_r en vooral oppervlakteladingsdensiteit σ te verhogen. Bijvoorbeeld, materiaalparameters zoals ε_r en σ worden meestal geoptimaliseerd om hoger vermogen te krijgen. Terwijl de optimale weerstand kan worden aangepast door de parameters x_max, S en k. De P_max en optimale weerstand hangen voornamelijk af van materiaal- en structurele parameters.

Omzettingsefficiëntie η van TENGs

Soms zijn we meer bezorgd over P_max dat we de η negeren. Efficiëntie is een belangrijke parameter om een energiebron te evalueren. η is gedefinieerd als de verhouding tussen de uitgaande elektrische energie en de ingaande mechanische energie. Hier hebben we systematisch en direct de invloed van deze parameters op de efficiëntie onderzocht.

De elektrische energie en mechanische energie worden verkregen volgens de stroompuls bij optimale R. De uitgaande elektrische energie wordt gegeven door

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

waarbij de tijdsspanne tussen t_start en t_end een heel contact- en scheidingsproces uitdrukt.

De berekende mechanische energie is

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

Dus de η wordt als volgt berekend

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

De relatie van η met x_max werd getoond in Fig. 6a. Als x_max toeneemt, neemt de efficiëntie η toe en verzadigt geleidelijk. We weten dat de mechanische energie en maximumvermogen evenredig zijn met x_max. Echter, het verhogen van x_max zal de vorm van de stroom-tijd curve veranderen. Dit betekent dat de groeisnelheid vertraagt wanneer x_max groter is. De invloed van parameters S, k en σ op η worden getoond in Fig. 6b–d. De toenemende trend van de efficiëntie η met deze parameters is vergelijkbaar met die van het maximumvermogen. De efficiëntie η neemt geleidelijk toe met S en k toenemend. Opvallend kan σ de efficiëntie η sterk beïnvloeden. De parameter ε_r is moeilijk te veranderen, en gelukkig beïnvloedt het η nauwelijks zoals getoond in Fig. 6e. Zoals getoond in Fig. 6f, daalt de efficiëntie η snel als F toeneemt. Dit wordt voornamelijk bijgedragen door de toename van mechanische energie. Duidelijk is dat de efficiëntie relatief laag is. Gelukkig kunnen we de efficiëntie aanzienlijk verhogen door σ te verbeteren.

In praktische situaties kan F echter de parameter σ beïnvloeden. Onder kleine F, maken de twee lagen gedeeltelijk contact. De twee lagen kunnen beter contact maken als F toeneemt. Dan kan de parameter F bijna de oppervlakteladingsdensiteit σ beïnvloeden. Dat is σ neemt toe met F en verzadigt dan, zoals getoond in Fig. 7a. Daarom herberekenen we de relatie tussen de uitgangsprestaties en de compressiekracht F. De invloed van F op maximumstroom, spanning en instantane vermogen worden getoond in Fig. 7b–d, respectievelijk. Ze hebben een vergelijkbare relatie met F. Bijvoorbeeld, de uitgangsspanning neemt toe met F toenemend en blijft dan constant, wat consistent is met de experimentele data in de literatuur. De invloed van F op elektrische energie wordt getoond in Fig. 7e. Het moet worden opgemerkt dat er een keerpunt in de curve is. De uitgaande elektrische energie neemt toe met F toenemend en daalt dan licht. De lichte daling van uitgaande elektrische energie is te wijten aan het kortere contactproces onder grotere F. Onder kleine compressiekracht is F evenredig met σ, wat resulteert in grotere uitgaande elektrische energie. Echter, onder een grote compressiekracht, verzadigt σ. De overgedragen ladingen in het scheidingsproces blijven constant terwijl ze dalen in het contactproces onder grotere compressiekracht. Dus de uitgaande elektrische energie in het gehele scheidings- en contactproces daalt licht. De relatie van η en F wordt gepresenteerd in Fig. 7f. Interessant, de η-F curve is piek-scherp en de maximumwaarde verscheen bij F ≈ 50 N. De ingaande E_mechanical is evenredig met F, terwijl E_mechanical veel groter is dan uitgaande E_electric. Onder kleine F, is de groeisnelheid van E_electric sneller dan E_mechanical door de snelle toename in σ. Echter, onder grote F, resulteren de daling van E_electric en toename van E_mechanical in een lagere efficiëntie. Het keerpunt in de relatie tussen energieomzettingsefficiëntie en compressiekracht is belangrijk in het ontwerp van effectieve energiebronnen.

Om hogere uitgangsprestaties zoals stroom en instantane vermogen te krijgen, wordt meestal een grote compressiekracht F toegepast. Maar dat kan een lage omzettingsefficiëntie veroorzaken. Volgens de bovenstaande analyse kunnen we een rationele F kiezen om zowel hoog vermogen als omzettingsefficiëntie te verkrijgen.

Conclusie

Concluderend, hebben we een praktische benadering geïntroduceerd om systematisch en direct de omzettingsefficiëntie van contact-mode TENGs te analyseren. Gaand verder dan de conventionele analyse, werd een compressiekracht geïntroduceerd om een veelzijdiger bewegingsprofiel af te leiden, wat een beter begrip gaf van het werkingsprincipe van het contact-scheidingsproces. De expliciete vergelijkingen voor de belangrijke apparaatprestaties in het gehele scheidings- en contactproces werden gepresenteerd, in tegenstelling tot de conventionele analyse die zich alleen richt op het scheidingsproces. Ten eerste analyseerden we de relatie van uitgangsprestaties met materiaal-, structuur- en experimentele parameters, wat voornamelijk was voor hoger uitgangsvermogen. Dan, belangrijk, bestudeerden we systematisch en diepgaand de invloed van deze parameters op de energieomzettingsefficiëntie in het gehele proces. Belangrijk werd een keerpunt gevonden in de relatie tussen omzettingsefficiëntie en compressiekracht. De TENGs met hoog uitgangsvermogen en hoge omzettingsefficiëntie kunnen tegelijkertijd verkregen worden onder optimale kracht. Dit is realistisch en nuttig voor efficiëntere TENGs. Belangrijk, het staat een goede kans om standaarden te vestigen voor het kwantificeren van de efficiëntie van TENGs, wat de basis legt voor de verdere industrialisatie en multifunctionaliteit van TENGs.

Afkortingen

BE:

Bottemelektrode

TE:

Topelektrode

TENGs:

Tribo-elektrische nanogeneratoren