Personenbatterien: eine theoretische Analyse von Nanogeneratoren basierend auf dem triboelektrischen Effekt

Published on October 05, 2018

Personenbatterien: eine theoretische Analyse von Nanogeneratoren basierend auf dem triboelektrischen Effekt



    Eines der drängendsten Probleme unserer Zeit ist die Energie bzw. deren Mangel. Mit dem Bevölkerungswachstum werden die natürlichen Ressourcen der Erde erschöpft. Daher wandten sich die Menschen erneuerbaren Energiequellen zu, mit deren Hilfe die unvermeidliche Energiekrise gelöst werden kann. Geothermie, Sonnenenergie, Wasserkraft - all dies sind Quellen erneuerbarer, nahezu unbegrenzter Energie (gemessen am menschlichen Leben). Es gibt jedoch eine andere Quelle, aus der Science-Fiction-Autoren relevanter sind als Wissenschaftler. Das ist der Mann selbst. Aber niemand wird ein Bündel von Drähten an den Körper einer Person anschließen und ihn in Gelee-Kapseln schieben. Die Theorie, die heute diskutiert wird, basiert auf der Ausnutzung des triboelektrischen Effekts, der es einem Menschen ermöglicht, eine Energiequelle für tragbare Geräte (Uhren, Telefone usw.) zu werden. Versuchen wir, das Wesentliche dieser Studie zu verstehen. Lass uns gehen.

    Theoretische Grundlagen

    Wie bereits vor wenigen Zeilen erwähnt, ist die Grundlage dieser theoretischen Untersuchung der triboelektrische Effekt * .
    Der triboelektrische Effekt * ist mit einfachen Worten das Auftreten elektrischer Ladungen aufgrund von Reibung.
    Die Existenz dieses physikalischen Phänomens war im antiken Griechenland bekannt. Thales Milesky ist der Autor der Beobachtung der Triboelektrizität durch Reiben von Bernstein mit Wolle, wodurch ersterer die Fähigkeit erhielt, kleine Gegenstände (Haare, Papier usw.) anzuziehen. Anschließend war es die griechische Version des Wortes "Bernstein" (ἤλεκτρον - ēlektron) und diente als Grundlage für das Wort "Elektrizität". In jenen Tagen war jedoch wenig über Elektrizität, ihre Arten und Eigenschaften bekannt. Viele Jahrhunderte sind vergangen, bis der Prozess der systematischen Erforschung dieses Phänomens begonnen hat.


    Briefmarke (1994, Griechenland) mit dem Bild von Thales von Milet und Bernstein, die aufgrund des triboelektrischen Effekts eine Feder anzieht.

    Wie zeigt sich der triboelektrische Effekt in der Praxis? Alles ist sehr einfach. Wenn wir zwei Objekte aneinander reiben, erhalten wir aufgrund dieses Effekts statische Elektrizität. Alles, was uns umgibt, besteht aus Atomen, in deren Zentrum sich ein positiv geladener Kern befindet, der von Elektronen umgeben ist. Aufgrund der interatomaren Wechselwirkung beginnen sich die Elektronen des zweiten zu dem ersten zu verschieben, wenn an einem Objekt die Anziehung der Atome stärker ist. Auf diese Weise erfasst ein Objekt Elektronen und der andere verliert sie, was das Auftreten statischer Ladungen ist.


    Dieses Video erklärt das Prinzip des triboelektrischen Effekts recht anschaulich und zeigt auch die Erfahrung, die Sie zu Hause wiederholen können.

    Natürlich sind nicht alle Materialien gleich. Einige akkumulieren besser eine positive Ladung, andere eine negative. Daher werden Materialien, die dazu neigen, den triboelektrischen Effekt zu manifestieren, in die sogenannte triboelektrische Reihe eingeordnet (von positiv nach negativ).

    Der triboelektrische Effekt ist jedoch nur ein Teil der Studie. Daneben spielen Nanogeneratoren eine wichtige Rolle - Geräte, die mechanische oder thermische Energie in Elektrizität umwandeln können. Der Tribo-Effekt-Nanogenerator (TENG) ist nicht so alt wie die Erfahrung mit Thales-Bernstein und wurde erstmals 2012 demonstriert.

    Das Sammeln von Energie mithilfe dieses Wundermittels ist eine vielversprechende Branche. Daher entwickeln viele Forschungsgruppen neue Wege, um diese Technik umzusetzen. Stellen Sie sich vor, Sie laufen durch die Stadt und Ihr Telefon wird aufgrund Ihrer Bewegung aufgeladen. Es hört sich sehr cool an, aber es gibt eine Reihe von Problemen, die noch nicht geklärt sind. Daher sehen wir in den Regalen von Elektronikgeschäften nicht für jeden Geschmack verschiedene Nanogeneratoren.

    Grundlage der Studie

    Die Hauptaufgabe der Studie bestand darin, die Eigenschaften und Merkmale von Nanogeneratoren auf der Grundlage des triboelektrischen Effekts sowie die theoretische Begründung für die Probleme bei der Implementierung einer solchen Technologie zu ermitteln.


    TENG-Schema.

    Die Forscher weisen darauf hin, dass in TENG mindestens eine nicht leitende triboelektrische Oberfläche vorhanden ist, weshalb die interne Impedanz (Impedanz) recht hoch ist. Und wenn die triboelektrischen Schichten bewegt werden, können sie sogar noch größer werden. Dadurch ist es nur bei hohem Lastwiderstand möglich, dem TENG über eine externe Last die notwendige Leistung effektiv zu entziehen.

    Die überwiegende Mehrheit der Geräte erfüllt solche Anforderungen nicht, weshalb aufgrund der Impedanzfehlanpassung ein beeindruckender Anteil der potenziellen Nutzleistung verloren geht.

    Wissenschaftler sagen, dass das Verständnis der Eigenschaften der Energieumwandlung und der Leistungsübertragung basierend auf Impedanzänderungen die Grundlage für die Verbesserung von TENG-Geräten ist.

    Versuchsaufbau Architektur

    Es gibt verschiedene Wirkungsmechanismen von Nanogeneratoren. In dieser Studie wurde ein vertikales Kontakttrennungsmodell verwendet.


    Schema triboelektrischer Schichten.

    Im obigen Diagramm sehen wir zwei TENG-Schichten mit positiven und negativen Ladungen. Jede Schicht besteht aus mehreren Komponenten: einer Basis aus In 2 O 3 / Ag / Au (blaue Unterschicht), PET - Polyethylenterephthalat (orange Unterschicht) und PDMS (PDMS) - Polydimethylsiloxan (grüne Unterschicht). Die Größe der Schichten betrug 50 × 50 mm und die Dicke betrug 0,22 mm der ersten und 0,2 mm der zweiten Schicht.

    Die triboelektrische Ladungsdichte betrug 40,7 uC / m & supmin ; ² (uC ist ein Mikrokoll). Und die Dielektrizitätskonstante war: 3,24 & epsi; 0 für die erste Schicht und 3,3 & epsi; 0für die Sekunde, wobei ε 0 die Dielektrizitätskonstante des leeren Raums ist.


    Das Aussehen des Versuchsaufbaus.

    Die im obigen Bild gezeigte Installation besteht aus einem Linearmotor, einer beweglichen Basis, Isolatoren, zwei TENG-Schichten, einem Lastsensor und elektrischen Anschlüssen.

    Diese Installation befand sich in einem Raum mit einer Temperatur von 20 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 55% (je niedriger die Luftfeuchtigkeit, desto besser die Ladungsübertragung, wie im Video angegeben). Der Motor ließ die Schichten mit einer bestimmten Periodizität in Kontakt kommen. Je mehr solche Kontakte (Reibung) vorhanden sind, desto höher ist die Ladungsdichte. In diesem Versuch wurden insgesamt 3000 Kontaktschichten hergestellt.

    Ergebnisanalyse

    Nach den Experimenten sammelten die Wissenschaftler alle Daten und kategorisierten nach ihrer Analyse eine Reihe von Faktoren, die den Betrieb von TENG-Geräten beeinflussen:
    • Bewegung: Frequenz, Amplitude und berührende / berührungslose Bewegungsmodi;
    • Gerät: Materialeigenschaften und Abmessungen des TENG-Gerätes.

    Und nun ein bisschen mehr zu jedem.

    Frequenz Die



    obige Grafik ( a ) ist ein Vergleich der Spitzenleistungsindikatoren des theoretischen Modells DDEF (entfernungsabhängiges elektrisches Feld) und der Theorie der TENG-Schichten bei verschiedenen Frequenzen (von 0,1 Hz bis 1000 Hz). Die Grafik ( b ) zeigt wiederum einen Vergleich von Daten aus dem DDEF-Modell, der Theorie der TENG-Schichten sowie experimentellen Daten, die experimentell bei einer Frequenz von 0,1 Hz bis 10 Hz erhalten wurden.

    Es ist deutlich zu sehen, dass mit zunehmender Frequenz auch die Ausgangsleistung zunimmt. Die tatsächliche Häufigkeit in der Praxis ist jedoch durch die menschliche Physiologie begrenzt (mit anderen Worten, wir können uns nicht wie der tasmanische Teufel von Looney Tunes bewegen). Die Forscher sind jedoch nicht verärgert, da es eine Möglichkeit gibt, niedrige Frequenzen in höhere umzuwandeln. Zum Beispiel ein mechanischer Regler, der aus einer Schraubenfeder, einem Zahnrad, einem Nockenmechanismus und einem Schwungrad besteht. Aufgrund der aufgeführten Details kann das Gerät auf diese Weise eine Frequenz von 50 Hz liefern. (Die Forscher verweisen auf die Arbeit von Divij Bhatia, die unter dem Link zum Download zur Verfügung steht .)

    Es zeigt sich, dass es einfache und effektive Möglichkeiten gibt, die Frequenz und damit die Ausgangsleistung zu erhöhen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Frequenz auch nicht größer als ein bestimmter Pegel (10 GHz) sein kann, was mit dielektrischen Verlusten verbunden ist, die bei hohen Frequenzen auftreten.

    Amplitude

    Um zu überprüfen, wie sich die Amplitude der Bewegungen auf die Ausgangsleistung auswirkt, wurde der Frequenzpegel als Konstante auf 1 Hz eingestellt, damit dieser Parameter nicht nur die Messung des Amplitudeneinflusses beeinflusst.



    Oben sind zwei Diagramme dargestellt: theoretische Ergebnisse und experimentelle. Die Tendenz zu Beginn ist ähnlich mit zunehmender Frequenz, dh die Ausgangsleistung nimmt mit zunehmender Amplitude zu. Wenn jedoch ein bestimmtes Niveau (1 mm) erreicht ist, beginnt es abzunehmen. Somit ist die Bewegungsamplitude ein sehr instabiler Faktor. Genauer gesagt handelt es sich um einen Parameter mit einem engen Bereich, denn wenn die Amplitude zu niedrig oder zu hoch ist, erhalten wir nicht das gewünschte Ergebnis. Die Wissenschaftler wollen den Einfluss der Amplitude auf die Ausgangsleistung genauer untersuchen und Möglichkeiten zur Optimierung dieses Faktors finden.

    Kontakt / kontaktlose Fahrmodi

    Triboelektrische Schichten müssen sich während Bewegungszyklen berühren, richtig? Fast. Einige Geräte arbeiten im kontaktlosen Modus, wenn sie voll aufgeladen sind. Daher muss geprüft werden, wie sich der Abstand zwischen den Schichten auf das Ergebnis der Arbeit des TENG-Geräts auswirkt. Während des Tests betrug die Frequenz 1 Hz und die Amplitude 1 mm, wiederum Konstanten, um die Überprüfung des erforderlichen Parameters nicht zu beeinträchtigen.



    Und wieder sehen wir zwei Graphen (Theorie und Experiment). Es ist logisch, dass die Zunahme der Lücke zwischen den Schichten der Ausgangsleistung zu sinken beginnt. Die Indikatoren fielen von ≈430 auf ≈150 nA (Nanoampere), als die Lücke 500 Mikrometer erreichte. Gleichzeitig erhöhte sich der Widerstand von 1 GΩ (Gig) auf einen Bruch von 0 bis 5 GOhm bei einem Spalt von 500 µm.

    Und wieder erlaubt die raue Realität Wissenschaftlern nicht, Wolkenburgen zu bauen. Die Schlussfolgerung ist einfach: Der Abstand zwischen den arbeitenden TENG-Schichten ist ein kritischer Parameter. Genauer gesagt, das Fehlen von Luftspalten zwischen ihnen. Es ist klar, dass bei der Trennung die Schichten sozusagen „auseinander gehen“, aber es sollte keine Luft zwischen ihnen sein. Dieses Problem kann beispielsweise durch die Verwendung von Polymeren wie Polydimethylsiloxan in der TENG-Architektur gelöst werden.

    Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Amplitude und Frequenz nicht höher sein dürfen als der Grenzpegel sowie der Abstand zwischen den Schichten, damit das System effizient arbeitet. Dies sind in der Tat ziemlich starke Einschränkungen. Viele Forschungsgruppen, darunter auch diese, arbeiten jedoch daran, die Auswirkungen dieser Parameter auf die Leistung von TENG-Geräten zu verringern.

    Wir wenden uns nun den Überlegungen zu, wie die Geräte selbst aussehen sollten, um alle Vorteile der TENG-Technologie voll auszuschöpfen. Denn eine wichtige Rolle im Betrieb eines jeden Gerätes spielen nicht nur physikalische Phänomene, sondern auch, woraus und wie das Gerät hergestellt wird. Wie sie sagen, egal wie schwer Sie einen Pappmaché-Speer werfen, er wird nicht weiter fliegen als ein normaler Speer.

    Materialeigenschaften

    Lassen Sie uns daran erinnern, dass die triboelektrische Ladungsdichte direkt von mehreren Faktoren abhängt: Je weiter die triboelektrischen Reihen voneinander entfernt sind, desto besser interagieren sie. Dies wird im obigen Video erwähnt Umfeld.

    Um zu überprüfen, was und wie es beeinflusst, wurde das DDEF-Modell während einer sinusförmigen Bewegung (Frequenz = 1 Hz, Amplitude = 1 mm) verwendet, und die Parameter des Geräts stimmten mit denen in einem praktischen Experiment überein.

    Die Datenanalyse zeigt, dass die Ausgangsleistungsrate mit zunehmender Ladungsdichte zunimmt. In diesem Fall ändert sich die interne Impedanz nicht, wenn sich die Ladungsdichte ändert.

    Änderungen der Umgebungsparameter wie Feuchtigkeit, Temperatur und Druck wirken sich jedoch natürlich auf die Ladungsdichte aus und machen diesen Indikator instabil. Wenn das Gerät in einer kontrollierten Umgebung betrieben wird, ist es möglich, die Stabilität dieser Anzeige aufrechtzuerhalten. Das ist natürlich sehr traurig, da wir unsere Geräte in der Praxis nicht nur unter bestimmten Bedingungen einsetzen werden. Daher wurde dieser Moment auch von Wissenschaftlern zur weiteren Verfeinerung und Forschung geschickt.

    Die Wissenschaftler stellen auch fest, dass dieses theoretische Experiment lebhafte Zusammenhänge aufweist, in der Praxis jedoch äußerst schwierig zu implementieren ist, da das Ändern eines Materialparameters in der Realität das Ersetzen des Materials selbst bedeutet, dh das Ändern aller anderen Eigenschaften.

    Physikalische Abmessungen

    Wenn es um tragbare Geräte geht, sollten deren Bestandteile so klein wie möglich sein (Entschuldigung für das Wortspiel). Aber es gibt eine gewisse Grenze, die Grenze, die wir überschritten haben, um die Effizienz zu opfern, um sie klein zu halten.



    Die beiden obigen Grafiken stellen die Ergebnisse der Messung der Ausgangsleistung dar, wenn sich die Dicke der PDMS-Schicht ändert (die Theorie links und das Experiment rechts). Mit zunehmender Dicke nimmt die PDMS-Ausgangsleistung ab. Dieser theoretische Trend hat sich in der Praxis bestätigt, was sich beim Vergleich beider Grafiken zeigt.

    Das elektrische Feld mit einer geladenen Oberfläche der TENG-Schicht muss sich bei größerer Dicke des PDMS über einen größeren Abstand erstrecken, um die Elektrode-Dielektrikum-Grenzfläche zu erreichen, an der die Induktion der Ausgangsladungen auftritt. Dies führt zu einer Schwächung des elektrischen Feldes, was anschließend zu einer Abnahme der Ausgangsleistung und einer Erhöhung der Impedanz führt. Das Prinzip „je mehr desto besser“ wird hier also nicht angewendet.



    Beim Ändern der Länge sind die Dinge anders. Die Ausgangsleistung steigt mit der Dehnung des Gerätes, wenn wir die obigen Zahlen mit einer Länge von 50 mm und 1000 mm vergleichen. Das ist gut, weil mehr Fläche - mehr Leistung. Bei kompakten Geräten, bei denen es sich bei TENG-Geräten im Wesentlichen um Ladegeräte handelt, ist dies jedoch bei einer Länge von einem Meter kaum möglich.

    Details der Studie (theoretische Modelle, Formeln, Berechnungen usw.) können dem Bericht von Wissenschaftlern und weiteren Kontinenten entnommen werden.

    Epilog

    Diese Studie sollte die Eigenschaften, wichtigen Einflussfaktoren und Merkmale triboelektrischer Nanogeneratoren beschreiben. Die Forscher selbst sagen, dass ihre Arbeit bei der zukünftigen Entwicklung von TENG-Geräten hilfreich sein sollte, da sie die Vor- und Nachteile dieser Technologie deutlich macht. Und wie wir sehen, bleibt noch viel zu tun, damit wir uns endlich keine Sorgen mehr machen, dass sich unsere tragbaren Geräte während des Gehens entladen.

    Energie war schon immer ein Wert für die Menschheit, unabhängig von ihrer Art. Aber wenn wir früher einfach aufgeräumt haben, was der Planet uns gibt, müssen wir jetzt nach Wegen suchen, um Energie zu erzeugen, die für alle ausreicht. Es ist schade, dass die Tatsache, dass wir die natürlichen Ressourcen praktisch erschöpft haben, zu einem Anreiz für den Beginn solcher Suchen geworden ist. Wie jemand sagte (ich erinnere mich wirklich nicht an wen): Warum nicht alles auf alle aufteilen? Und weil es wenig und viele gibt. In Bezug auf die Energie wird sich dies hoffentlich früher oder später ändern.

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