Core-Shell Fiber-Based 2D Woven Triboelectric Nanogenerator untuk Pemanenan Energi Gerak yang Efektif

Hasil dan Diskusi

Dengan menggunakan teknologi puntir dalam pembuatan tekstil, serat komposit struktural cangkang inti dibuat dengan kawat logam sebagai elektroda pusat dan benang jahit sebagai lapisan gesekan luar. 2DW-WTNG selanjutnya dibuat dengan menenun dua jenis serat komposit terstruktur cangkang inti melalui proses tenun ortotropik. Gambar 1a menunjukkan ilustrasi struktural 2DW-WTNG dengan dua bagian yang sama. Di setiap bagian 2DW-WTNG, serat komposit nilon/tembaga yang disusun dalam satu arah dikumpulkan sebagai satu elektroda, dan serat komposit poliester/baja yang disusun dalam arah lain dikumpulkan sebagai elektroda lainnya. Dua jenis serat komposit dibuat menggunakan pengaturan putar buatan sendiri yang bekerja seperti mesin puntir di pabrik. Pemindaian mikroskop elektron (SEM) gambar ditunjukkan pada Gambar. Gambar 1a dan c menunjukkan penampakan permukaan benang nilon awal dengan diameter 110 μm dan benang poliester dengan diameter 200 μm. Gambar 1d dan e adalah gambar optik dari serat komposit nilon/tembaga yang disiapkan dan serat komposit poliester/baja, yang darinya struktur cangkang inti dapat diamati dengan jelas. Gambar 1f menunjukkan gambar optik 2DW-WTNG akhir yang terbuat dari empat kelompok serat komposit nilon/tembaga dan empat kelompok serat komposit poliester/baja. Dengan struktur anyaman panjang dan lebarnya, menyerupai sepotong kain biasa, dan proses fabrikasi rinci diilustrasikan di bagian “Metode”.

Kinerja pembangkit listrik dari 2DW-WTNG dipelajari. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, bagian atas dan bagian bawah dari 2DW-WTNG dipasang berhadap-hadapan, dan bagian atas dapat digeser ke kanan dan ke kiri terhadap bagian bawah. Setelah geser relatif terjadi antara bagian atas dan bagian bawah, permukaan kontak bergesekan satu sama lain. Karena poliester lebih triboelektrik negatif daripada nilon menurut seri triboelektrik, elektron disuntikkan dari nilon ke poliester, menghasilkan muatan triboelektrik positif pada permukaan nilon dan muatan negatif pada permukaan poliester. Ketika bagian atas meluncur ke kanan dan permukaan kontak bergeser ke posisi yang tidak sejajar seperti yang ditunjukkan pada tahap I, medan listrik bersih muncul sebagai akibat dari muatan triboelektrik yang tidak terkompensasi di daerah yang tidak sejajar, menggerakkan elektron bebas dari elektroda dalam poliester bergerak ke elektroda di nilon sampai medan listrik disaring oleh muatan induksi pada elektroda. Ketika bagian atas terus meluncur ke kanan, permukaan kontak datang ke posisi sejajar dan muatan triboelektrik dari tanda yang berlawanan sepenuhnya seimbang, yang mengarah ke aliran balik elektron bebas yang diinduksi (tahap II). Saat geser ke kanan berlangsung, permukaan kontak dibawa kembali ke posisi yang tidak sejajar, dan elektron bebas didorong dari elektroda dalam poliester ke elektroda dalam nilon seperti yang ditunjukkan pada tahap III. Akibatnya, siklus proses pembangkitan listrik untuk 2DW-WTNG selesai. Diuntungkan dari desain kisi dengan struktur interfase antara serat komposit nilon/tembaga dan serat komposit poliester/baja, muatan ditransfer secara bergantian antara dua elektroda selama proses ini. Secara eksperimental, situasi kontak awal tergantung pada bagaimana bagian atas dan bagian bawah ditempatkan. Namun, itu tidak akan mempengaruhi output dari 2DW-WTNG. Karena struktur kisi yang sama, situasi kontak awal tidak membuat perbedaan dalam nilai puncak keluaran tetapi mengubah arah puncak keluaran. Jika situasi kontak awal positif ke positif, situasi kontak pertama-tama akan masuk ke positif ke negatif dan kemudian ke positif ke positif dengan puncak keluaran positif diikuti dengan puncak keluaran negatif. Sebaliknya, jika situasi kontak awal positif ke negatif, situasi kontak pertama-tama akan masuk ke positif ke positif dan kemudian ke positif ke negatif dengan puncak keluaran negatif diikuti dengan puncak keluaran positif.

Karakteristik pembangkit listrik dari 2DW-WTNG. a Keseluruhan proses mekanisme pembangkitan listrik. b Arus keluaran dan c tegangan keluaran dari 2DW-WTNG. Sisipan di b dan c adalah tampilan yang diperbesar dari arus keluaran dan tegangan keluaran. d Arus (lingkaran padat) dan rapat daya (lingkaran terbuka) 2DW-WTNG dengan hambatan beban berbeda

2DW-WTNG dengan ukuran 15 mm × 15 mm dan lebar kisi 7 mm diuji dengan bergerak maju mundur secara berkala. Metode pengukuran terperinci diilustrasikan di bagian "Metode". Dengan perpindahan geser 8 mm dan kecepatan geser 0,15 m/s, 2DW-WTNG menghasilkan output arus bolak-balik (AC) kontinu pada amplitudo maksimum 575 nA pada frekuensi konstan 2,7 Hz (Gbr. 2b). Tegangan keluaran mencapai 6,3 V pada frekuensi yang sama dengan arus keluaran (Gbr. 2c). Tampilan yang diperbesar dari arus keluaran dan tegangan keluaran dalam satu siklus kerja dimasukkan pada Gambar. 2b dan c, masing-masing. Dalam satu siklus kerja, ada dua paket gelombang, satu mewakili geser satu arah ke kanan dan yang lainnya mewakili geser satu arah ke kiri. Dan ada dua pulsa positif dan dua pulsa negatif di setiap paket gelombang. Hasil ini sesuai dengan struktur perangkat yang mengandung empat kelompok serat komposit nilon/tembaga dan empat kelompok serat komposit poliester/baja seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1f, yang selanjutnya memverifikasi bahwa output dalam mode geser berhubungan erat dengan kisi. lebar dan nomor kisi di perangkat.

Sebagai sumber daya secara praktis, 2DW-WTNG perlu dihubungkan dengan beban eksternal. Resistor digunakan untuk menyelidiki ketergantungan daya listrik keluaran pada beban eksternal. Gambar 2d menunjukkan arus sesaat dan kerapatan daya keluaran sesaat versus resistansi beban eksternal. Kepadatan daya keluaran sesaat dihitung sebagai rasio daya keluaran sesaat (I ² R ) dan area perangkat. Ditemukan bahwa arus sesaat turun dengan meningkatnya tahanan beban karena rugi-rugi ohmik. Kepadatan daya keluaran seketika meningkat pada resistansi rendah dan mencapai nilai maksimum 2,33 mW/m ² pada resistansi beban 50 MΩ, dan kemudian menurun pada resistansi yang lebih tinggi. Hasil ini menunjukkan potensi 2DW-WTNG untuk menjadi catu daya untuk beberapa perangkat elektronik pribadi, terutama untuk perangkat dengan hambatan beban sekitar puluhan megohm.

Performa output 2DW-WTNG dalam mode sliding driven sangat bergantung pada tingkat pemisahan muatan triboelektrik. Untuk mempelajari hal ini secara mendalam, kinerja keluaran 2DW-WTNG dengan ukuran 15 mm × 15 mm dan lebar kisi 7 mm dicirikan dengan bergerak secara berkala pada kecepatan geser relatif yang berbeda dengan perpindahan geser yang diberikan sebesar 8 mm. Gambar 3a dan b menunjukkan arus keluaran dan tegangan keluaran 2DW-WTNG pada kecepatan geser rata-rata masing-masing 0,025 m/s, 0,050 m/s, 0,075 m/s, 0,100 m/s, dan 0,125 m/s. Pada kurva arus dan kurva tegangan, terdapat puncak keluaran penuh dalam 320 ms dalam gerakan satu arah dan puncak keluaran lainnya dalam 320 ms bergerak dalam arah sebaliknya dengan kecepatan geser 0,025 m/s. Dalam waktu kerja yang sama, peningkatan kecepatan menyebabkan peningkatan jumlah puncak keluaran dari satu pada 0,025 m/s menjadi lima pada 0,125 m/s. Itu karena kecepatan geser yang lebih besar mempersingkat waktu yang dibutuhkan untuk satu siklus kerja dan selanjutnya meningkatkan jumlah siklus kerja dalam waktu kerja yang sama. Nilai puncak saat ini meningkat dari 101 nA pada 0,025 m/s menjadi 415 nA pada 0,125 m/s, yang menyiratkan bahwa peningkatan kecepatan geser dapat secara efektif meningkatkan kecepatan pemisahan muatan triboelektrik dan menghasilkan nilai puncak keluaran yang besar . Nilai puncak tegangan meningkat dari 3,6 V pada 0,025 m/s menjadi 6,6 V pada 0,125 m/s, yang dihasilkan dari pengukuran rangkaian listrik. Resistansi masukan dari rangkaian pengukuran tegangan dan 2DW-WTNG membentuk rangkaian listrik RC, dan arus bocor pada 2DW-WTNG berkurang ketika kecepatan geser dinaikkan, sehingga menghasilkan peningkatan nilai puncak tegangan keluaran secara terus-menerus. Hasil ini dengan jelas menunjukkan bahwa nilai puncak keluaran berhubungan erat dengan kecepatan geser. Selain kecepatan geser, perpindahan geser adalah faktor lain yang sangat memengaruhi kinerja keluaran 2DW-WTNG. Mengingat bahwa sebagian besar energi mekanik dalam gerakan tubuh manusia berasal dari gerakan dengan amplitudo kecil, maka perlu untuk mengumpulkan energi mekanik yang lemah. Untuk mengeksplorasi aspek ini, 2DW-WTNG diuji dengan bekerja pada perpindahan geser 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm, dan 2,0 mm dengan kecepatan geser tetap 0,1 m/s. Arus dan tegangan keluaran ditunjukkan pada Gambar. 3c dan d. Nilai puncak keluarannya meningkat dengan perpindahan geser. Pada perpindahan terpendek 0,4 mm, nilai puncak keluaran masing-masing mencapai 2,3 nA dan 0,05 V, menunjukkan kemampuannya dalam mengais energi mekanik dari gerakan kecil. Menurut mekanisme kerja 2DW-WTNG dalam mode geser horizontal, ada transfer muatan bolak-balik saat meluncur di atas satu kisi. Oleh karena itu, menjanjikan untuk lebih meningkatkan output 2DW-WTNG dalam mode geser dengan mempersempit lebar atau diameter sabuk tenunan atau serat tenunan menjadi skala yang lebih kecil.

Performa pembangkitan daya 2DW-WTNG di bawah kecepatan geser relatif yang berbeda dan perpindahan geser relatif. a Arus keluaran dan b tegangan keluaran 2DW-WTNG bervariasi dengan kecepatan geser 0,025 m/s, 0,050 m/s, 0,075 m/s, 0,100 m/s, dan 0,125 m/s pada perpindahan geser yang diberikan sebesar 8 mm. c Arus keluaran dan d tegangan output 2DW-WTNG bervariasi dengan perpindahan geser 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm, dan 2,0 mm pada kecepatan geser tertentu 0,100 m/s

Mengingat kompleksitas aktivitas manusia, energi gerak tubuh dapat datang dari arah yang berbeda. Oleh karena itu, WTNG yang mumpuni harus mampu memanen energi dari gerakan tubuh ke berbagai arah. Dengan kata lain, WTNG yang bekerja dalam mode geser planar diharapkan bekerja di sepanjang arah geser yang berubah-ubah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, dua bagian 2DW-WTNG ditempatkan berhadapan dan bagian atas dapat meluncur di atas bagian bawah sepanjang X -sumbu. Menjaga arah bergerak, memutar bagian atas menghasilkan sudut (θ ) antara arah geser dan satu sisi bagian atas. Di sini, θ pada dasarnya mewakili orientasi kerja relatif antara bagian atas dan bagian bawah dari 2DW-WTNG, yang mengharuskan 2DW-WTNG untuk dapat bekerja pada orientasi kerja relatif yang berbeda. Untuk menjelaskan hal ini, 2DW-WTNG diuji pada satu set θ nilai (0 °, 10°, 20 °, 30 °, 40 °, dan 50 °) didorong oleh motor linier pada kecepatan geser 0,10 m/s dan perpindahan geser 10 mm. Arus keluaran dan tegangan keluarannya pada θ . yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4b dan c. Perangkat menghasilkan arus keluaran 134,45 nA dan tegangan keluaran masing-masing 2,23 V pada orientasi kerja relatif 50°. Sementara itu, karena simetri dalam bidang, arus keluaran dan tegangan keluaran pada 40 ° sangat dekat dengan yang pada 50 °. Meskipun arus keluaran dan tegangan keluaran sedikit menurun karena θ meningkat sebagai akibat dari penurunan luas gesekan efektif yang disebabkan oleh kisi-kisi yang tidak cocok antara bagian atas dan bagian bawah 2DW-WTNG, hasil eksperimen ini sangat memvalidasi bahwa 2DW-WTNG dapat bekerja secara normal pada orientasi kerja yang berbeda. Diuntungkan dari serat komposit silindris, permukaannya yang halus membuat geser menjadi terus menerus dan diam-diam, daripada geser bergoyang-goyang di kisi-kisi sempit dengan tepi yang jelas terangkat yang dibuat oleh proses litografi. Demikian pula, jika gerakan eksternal sepanjang arah dalam bidang yang berubah-ubah diterapkan pada bagian atas 2DW-WTNG, itu meluncur di sepanjang arah gerakan dan digosok dengan bagian bawah, dan dengan demikian, energi gerakan dapat dipanen dan diubah menjadi listrik. .

Kemampuan beradaptasi 2DW-WTNG yang bekerja di sepanjang arah dalam pesawat yang sewenang-wenang. a Diagram skema untuk 2DW-WTNG yang bekerja pada orientasi relatif yang berbeda. b Arus keluaran dan c tegangan keluaran 2DW-WTNG pada orientasi relatif yang berbeda

Sebagai pemanen energi, output 2DW-WTNG harus cukup tinggi untuk memberi daya pada beberapa perangkat elektronik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, 2DW-WTNG dihubungkan dengan penyearah jembatan dan kemudian dihubungkan dengan dua sirkuit cabang. Dengan penyearah jembatan, output AC dari 2DW-WTNG diubah menjadi output arus searah (DC). Sinyal DC yang diperbaiki ditunjukkan pada Gambar 5b. Saat menghubungkan penyearah jembatan ke sirkuit cabang pertama, sinyal DC yang diperbaiki langsung digunakan untuk menyalakan LED merah seperti yang ditunjukkan di sisipan dan di file tambahan 1:Video S1. Ketika penyearah jembatan dihubungkan ke rangkaian cabang kedua, listrik dari 2DW-WTNG mengisi kapasitor komersial 0,47 μF. Kurva pengisian ditunjukkan pada Gambar. 5c dan jumlah muatan yang sesuai yang disimpan dalam kapasitor ditunjukkan pada sisipan. Kapasitor diisi hingga 1,84 V dalam 1 menit, dan kerapatan muatan yang sesuai mencapai 3,84 mC/m ² . Kedua pengujian ini menunjukkan bahwa sebagai pemanen energi, 2DW-WTNG tidak hanya dapat digunakan sebagai catu daya darurat yang nyaman, tetapi juga dapat mengisi energi ke dalam sel penyimpanan. Selain itu, stabilitas 2DW-WTNG merupakan faktor penting untuk memastikan aplikasi praktisnya. Di sini, stabilitas 2DW-WTNG diuji dengan membuatnya terus bekerja selama 12 h pada kecepatan geser 0,1 m/s dan perpindahan geser 8 mm. Kurva arus dalam 10 s untuk setiap jam ditunjukkan pada Gambar 5d, dan sedikit perubahan dapat ditemukan pada nilai arus keluaran setelah 12 jam kerja terus menerus, menunjukkan kinerja pembangkit listrik yang sangat stabil. Selain itu, untuk menunjukkan keserbagunaan 2DW-WTNG dalam mengais energi di berbagai jenis, sekelompok pengukuran listrik dilakukan pada 2DW-WTNG. Seperti ditunjukkan pada sisipan pada Gbr. 5e, gesekan efektif terjadi saat bagian atas 2DW-WTNG pertama-tama bersentuhan secara vertikal dengan bagian bawah 2DW-WTNG (proses I), dan kemudian meluncur secara horizontal pada bagian bawah 2DW-WTNG (proses II). Selama pengukuran, operasi kontak-geser-pemisahan diulang beberapa kali, dan arus keluarannya ditunjukkan pada Gambar 5e. Untuk proses gesekan kontak vertikal pertama, ada puncak keluaran yang tinggi tapi sempit, dan kemudian untuk proses gesekan geser horizontal berikutnya, ada puncak rendah tapi lebar. Pada proses pemisahan vertikal terakhir untuk siklus pengukuran berikutnya, puncak keluaran yang tinggi tetapi sempit akan muncul tetapi tidak ada. Hal ini dapat dikaitkan dengan dua alasan. Salah satunya adalah bahwa bagian atas dari 2DW-WTNG telah meluncur keluar dari bagian bawah yang berlawanan dari 2DW-WTNG, dan potensi listrik hampir seimbang. Yang lainnya adalah proses pemisahan vertikal terakhir agak lambat, sehingga potensial listrik dengan cepat mencapai keseimbangan di udara. Analisis sintetik mengkonfirmasi bahwa dua jenis puncak arus keluaran ini konsisten dengan karakteristik dua mode kerja 2DW-WTNG, menunjukkan kemampuan beradaptasi yang kuat untuk mengais energi dari tekanan positif vertikal dan gaya tangensial horizontal dalam gerakan tubuh manusia.

Penerapan 2DW-WTNG. a Rangkaian penyearah dengan dua rangkaian cabang pada terminal keluaran. b Sinyal arus keluaran yang diperbaiki. Inset adalah gambar optik dari LED merah yang ditenagai oleh sinyal arus yang diperbaiki. c Kurva pengisian untuk kapasitor komersial 0,47 μF yang diisi oleh arus yang disearahkan. Sisipan adalah muatan keluaran yang sesuai yang disimpan dalam kapasitor. d Arus keluaran 2DW-WTNG bekerja terus menerus selama 12 h. e Arus keluaran 2DW-WTNG bekerja dalam dua mode kerja yang berbeda, menunjukkan keserbagunaan 2DW-WTNG dalam menyerap energi gerak tubuh manusia. Proses kerja ditunjukkan pada sisipan

File tambahan 1:Video S1. Video langsung menyalakan LED merah. (AVI 1334 kb)