2D geweven kern-schelp vezel triboelektrische nanogenerator oogst lichaamsbeweging in 6 V, 575 nA, LED's en condensators voedend

Samenvatting

Draagbare elektronica eist compacte, autonoomstroomvoorzieningen die ambient kinetische energie kunnen benutten. Hier presenteren we een tweedimensionaal geweven triboelektrische nanogenerator (2DW-WTNG) gebouwd van kern-schelp vezels die menselijke beweging omzetten in elektriciteit. Het apparaat levert 6,35 V piekspanning en 575 nA piekstroom, corresponderend met een vermogensdichtheid van 2,33 mW m⁻² bij een 50 MΩ belasting. Opmerkelijk is dat het lading genereert bij verplaatsingen van slechts 0,4 mm en continu 12 uur werkt zonder prestatieverlies.

Inleiding

Draagbare, werbare en implanteerbare apparaten hebben geprolifererd, maar conventionele batterijen tekortschieten in capaciteit, levensduur en milieueffect. Het benutten van de mechanische energie inherent in dagelijkse menselijke activiteit biedt een duurzame alternatief. Triboelektrische nanogeneratoren (TENGs) converteren contact-geïnduceerde ladingsscheiding en elektrostatische inductie in bruikbare elektriciteit. Hoewel talloze TENG-ontwerpen bestaan, vertrouwen veel op kwetsbare substraten die duurzaamheid compromitteren. Onze 2DW-WTNG elimineert deze beperking door kern-schelp geleidende vezels direct in een geweven stof te integreren, wat robuuste, schaalbare productie mogelijk maakt.

Methoden

Fabricatie van kern-schelp composietvezels

We combineerden naaigaren van nylon (110 µm) met geëmalleerde koperdraden (60 µm) en naaigaren van polyester (200 µm) met staaldraden (60 µm) met een roterende steun die handmatig draaien nabootst. Dit proces levert 380 µm-diameter nylon/koper en 385 µm-diameter polyester/staal vezels, elk met een metaalkern omgeven door een polymere huls. De koperkern is geïsoleerd om kortsluiting te voorkomen, terwijl de staalkern structurele sterkte biedt.

Weven van de 2DW-WTNG

Vier groepen nylon/koper vezels en vier groepen polyester/staal vezels werden orthogonaal geweven om een actief gebied van 15 mm × 15 mm te vormen met 7 mm roosterbreedte. De resulterende stof lijkt op conventionele textiel, wat het compatibel maakt met industriële weefmachines voor massaproductie.

Elektrische karakterisatie

Het apparaat werd geactiveerd door een lineaire motor, die de bovenlaag tegen de onderlaag aandreef in een heen-en-weer glijdende beweging. Uitgangsstroom en spanning werden vastgelegd onder variërende glijdsnelheden, verplaatsingen en relatieve oriëntaties.

Resultaten en discussie

De glijdende contact tussen nylon (triboelektrisch positief) en polyester (triboelektrisch negatief) genereert afwisselende ladingsoverdracht, wat elektronen tussen de twee elektrodelagen drijft. Piekoutput van 575 nA en 6,3 V werden bereikt bij 8 mm verplaatsing en 0,15 m s⁻¹ snelheid. Vermogensdichtheid piekte bij 2,33 mW m⁻² wanneer aangesloten op een 50 MΩ weerstand.

Toenemende glijdsnelheid verhoogde piekwaarden: bij 0,125 m s⁽¹ steeg de stroom naar 415 nA en spanning naar 6,6 V. Kleinere verplaatsingen tot 0,4 mm produceerden nog meetbare output (2,3 nA, 0,05 V), wat gevoeligheid voor minimale menselijke beweging aantoont.

Het apparaat behield prestaties over diverse in-plane oriëntaties, leverend 134 nA en 2,23 V bij een relatieve hoek van 50°, wat de aanpasbaarheid aan willekeurige lichaamsbewegingen bevestigt.

Wanneer aangesloten op een bruggleichrichter, voedde de 2DW-WTNG onmiddellijk een rode LED en laadde een 0,47 µF condensator tot 1,84 V binnen 1 minuut op, wat 3,84 mC m⁻² opsloeg. Continu werking gedurende 12 uur toonde verwaarloosbare degradatie, wat de mechanische veerkracht benadrukt.

Conclusies

De 2DW-WTNG demonstreert een schaalbaar, duurzaam platform voor het oogsten van menselijke bewegingsenergie. De kern-schelp vezelarchitectuur en geweven ontwerp leveren hoge spanning, voldoende stroom voor laag-vermogen elektronica, en robuuste werking onder gevarieerde bewegingsrichtingen. Deze technologie baant de weg voor echte autonoom werbare apparaten.