Kerangka Teoretika Lanjutan untuk Nanogenerator Triboelektrik Mode Kontak guna Meningkatkan Efisiensi Konversi Energi

Abstrak

Seiring dengan ekspansi cepat elektronika generasi berikutnya, sumber energi portabel dan efisien telah menjadi salah satu faktor terpenting yang menghambat perkembangan pasar. Nanogenerator triboelektrik (TENG) adalah kandidat potensial dengan fitur yang tak tertandingi. Di sini, kami menganalisis secara mendalam daya dan efisiensi konversi TENG mode kontak dengan mempertimbangkan seluruh proses konversi energi. Pertama, melebihi analisis konvensional, gaya tekan diperkenalkan untuk menghasilkan profil gerakan yang lebih serbaguna, yang memberikan pemahaman yang lebih baik tentang prinsip kerja proses kontak-pemisahan. Kemudian, kami menganalisis secara mendalam pengaruh berbagai parameter terhadap performanya. Khususnya, efisiensi maksimum TENG dapat diperoleh di bawah gaya optimum. Ini realistis dan berguna untuk TENG yang lebih efisien. Selain itu, penelitian ini berpeluang baik untuk menetapkan standar untuk mengukur efisiensi TENG, yang menjadi dasar untuk industrialisasi dan multifungsi teknologi TENG selanjutnya.

Latar Belakang

Kecerdasan buatan dan jaringan cloud secara bertahap meningkatkan kualitas hidup modern kita dengan perkembangan cepat elektronika generasi berikutnya untuk rumah pintar, pemantauan kesehatan, hiburan, dan pemantauan lingkungan [1,2,3]. Memberi daya pada sejumlah besar elektronika ini telah menjadi misi yang mustahil dengan teknologi baterai yang ada mengingat ukuran besarnya, umur pendek, dan terutama masalah pengisian daya cepat. Ini telah menjadi salah satu halangan terpenting dalam mengembangkan sumber energi berkelanjutan yang cocok untuk elektronika dapat dipakai [4,5,6].

Saat ini, nanogenerator triboelektrik (TENG) berdasarkan triboelektrifikasi telah terbukti sebagai teknologi menarik untuk memanen energi mekanik. Ini adalah kandidat yang menjanjikan untuk elektronika dapat dipakai karena banyak keunggulannya, termasuk fleksibilitas [7], hemat biaya [8], proses pembuatan yang sederhana [9], perlindungan lingkungan [10], dan keberagunaan [11]. Ini telah banyak digunakan untuk memanen energi mekanik dari lingkungan sekitar. Selain itu, ini dapat digunakan untuk diintegrasikan dengan perangkat dapat dipakai untuk aplikasi yang daya sendiri [12,13,14]. Untuk saat ini, banyak metode telah digunakan untuk meningkatkan daya, termasuk morfologi permukaan [15, 16], optimasi bahan [17, 18], injeksi muatan [19, 20], optimasi struktur [21, 22], dan multi-nanogenerator [23, 24]. Meskipun kemajuan cepat dalam performa keluaran, model definitif untuk menganalisis efisiensi konversi energi tidak ada. Beberapa penjelasan teoretis telah diterbitkan untuk berbagai mode TENG [25,26,27]. Namun, sebagian besar analisis tidak membahas seluruh proses konversi energi dan hanya fokus pada daya keluaran. Yang lebih penting, daya keluaran yang lebih tinggi tidak berarti efisiensi konversi energi yang lebih tinggi dan bahkan bisa terbukti kontraproduktif. Ini sedikit menghambat perkembangan TENG yang lebih efisien karena kurangnya studi langsung tentang efisiensi konversi energi.

Dalam pekerjaan ini, kami menganalisis secara sistematis dan langsung daya dan efisiensi konversi TENG mode kontak dengan mempertimbangkan seluruh proses. Pertama, melebihi analisis konvensional, gaya tekan diperkenalkan untuk menghasilkan profil gerakan yang lebih serbaguna, yang memberikan pemahaman yang lebih baik tentang prinsip kerja proses kontak-pemisahan. Kemudian, sesuai dengan persamaan gerakan, persamaan eksplisit untuk performa perangkat penting dalam seluruh proses kontak dan pemisahan disajikan. Akhirnya, pengaruh properti bahan, parameter struktur, dan faktor eksperimental terhadap daya maksimum dan khususnya efisiensi konversi energi diteliti secara sistematis. Kami dapat mendapatkan efisiensi dan daya maksimum dengan merancang parameter secara rasional terutama gaya tekan. Ini realistis dan berguna untuk TENG yang lebih efisien. Pentingnya, ini berpeluang baik untuk menetapkan standar untuk mengukur efisiensi TENG, yang menjadi dasar untuk industrialisasi dan multifungsi TENG selanjutnya.

Metode

Prinsip operasi dasar TENG didasarkan pada triboelektrifikasi dan induksi elektrostatis. Ini dapat diperkirakan diklasifikasikan menjadi dua jenis dari segi bahan gesekan. Akibatnya, fungsi kerja dan gesekan, bahan dielektrik dan konduktor dipilih sebagai pasangan triboelektrik. Seperti ditampilkan pada Gambar 1, lapisan atas terdiri dari elektrode atas (TE) dan lapisan dielektrik dapat bergerak ke atas dan ke bawah, sedangkan elektrode bawah (BE) tetap pada substrat. Kedua lapisan dihubungkan dengan resistor beban R. Proses pemisahan dan kontak ditampilkan pada Gambar 1a, b, masing-masing. Dalam proses pemisahan, elektron mengalir ke BE dari TE, dan kembali ke TE dalam proses kontak.

Model teoritis untuk mode kontak TENG. a Proses pemisahan dan b proses kontak

Di bawah gaya yang diterapkan F, lapisan atas akan membuat kontak penuh dengan lapisan bawah. BE akan memiliki muatan triboelektrik positif dengan densitas muatan permukaan σ sementara lapisan dielektrik memiliki muatan yang sama dengan tanda berlawanan. Dalam proses pemisahan, lapisan atas memisahkan dari lapisan bawah dengan jarak x(t). Ini akan menghasilkan selisih potensial V(t) antara TE dan BE akibat medan listrik. Untuk menyeimbangkan V(t), elektron akan mengalir antara kedua elektroda melalui R. Oleh karena itu, muatan TE adalah Q sementara BE tinggal dengan Sσ − Q. Kekuatan medan listrik di dua wilayah diberikan sebagai berikut menurut teorema Gauss.

Di dalam lapisan dielektrik:

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

Di dalam celah udara:

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

di mana ε₀ dan ε_r adalah permitivitas vakum dan permitivitas relatif, masing-masing.

V(t) harus memenuhi persamaan berikut:

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

Dari hukum Ohm, V(t) diberikan sebagai

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

Menggabungkan persamaan, kita dapatkan

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

Persamaan (5) adalah persamaan pengendali TENG. Ini dapat diterapkan pada seluruh proses pemisahan dan kontak. Obvious bahwa x(t) adalah salah satu faktor terpenting TENG. Berbeda dengan pekerjaan sebelumnya, kami membangun persamaan gerakan praktis daripada mengasumsikannya langsung. Dalam artikel ini, persamaan gerakan dalam seluruh proses dibangun berdasarkan gaya tekan dan kondisi eksperimental.

Hasil dan Pembahasan

Sistem Non-Pegas

Pertama, kami hanya mempertimbangkan gaya tekan konstan F dan gravitasi lapisan atas. Persamaan gerakan dapat diperoleh sebagai berikut (lihat berkas tambahan 1: Catatan 1 dan Gambar S1 dalam ESM). Dalam kenyataannya, x(t) selalu memiliki nilai maksimum x_max dan minimum nol. Jadi persamaan gerakan diberikan oleh

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

Persamaan (6.1) dan (6.2) mewakili proses pemisahan dan kontak, masing-masing.

Kemudian kita dapatkan muatan yang dipindahkan. (Turunan detail ada di berkas tambahan 1: Catatan 2 dalam ESM).

Dalam proses pemisahan:

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

di mana \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F- mg\right)} \), dan Q₀ = Q(t₀) dalam Persamaan (7.1).

Dalam proses kontak:

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

di mana \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} \), Q₀ dapat dihitung dengan menetapkan t = t₀ ke dalam Persamaan (8.1).

Oleh karena itu, arus keluaran dapat diturunkan sebagai I(t) = dQ/dt dan V(t) = RI(t).

Menurut parameter spesifik yang ditampilkan dalam Tabel 1, kita dapatkan hasil perhitungan numerik.

Hubungan karakteristik-waktu pada berbagai R dalam seluruh proses ditampilkan pada Gambar 2. Muatan yang dipindahkan, hubungan arus keluaran, dan tegangan keluaran pada berbagai beban dalam proses kontak ditunjukkan pada Gambar 2a, c, e. Perilaku serupa dengan studi sebelumnya [25]. Namun, proses pemisahan jarang diteliti. Asumsikan bahwa muatan permukaan sepenuhnya dipindahkan ke TE dalam proses pemisahan setelah waktu yang lama. Seperti ditampilkan pada Gambar 2b, pada kondisi rangkaian pendek (SC), muatan di TE dapat sepenuhnya mengalir kembali ke BE saat lapisan atas berhenti bergerak (t = 2 ms). Muatan tidak dapat menurun ke nol pada t = 2 ms ketika R lebih dari 1 MΩ. Sementara itu, hampir semua muatan dipindahkan ke BE ketika R kurang dari 10 MΩ dalam proses pemisahan. Muatan yang dipindahkan dalam proses kontak jauh lebih sedikit daripada proses pemisahan. Ini disebabkan oleh gaya penggerak yang relatif kecil pada awal proses kontak. Hubungan arus-waktu ditampilkan pada Gambar 2d. Pada kondisi SC, arus puncak hampir sama dengan proses pemisahan. Ketika R lebih besar, kurva arus-waktu memiliki dua nilai maksimum lokal, yaitu di awal dan akhir gerakan. Dan arus maksimum absolut menurun secara dramatis seiring peningkatan resistansi. Kedua nilai maksimum lokal di awal dan akhir gerakan disebabkan oleh elektron yang memadai dan gerakan berkecepatan tinggi, masing-masing. Tegangan keluaran memiliki profil yang sama dengan arus, tetapi tren yang berbeda dalam magnitudo, seperti ditampilkan pada Gambar 2f (lihat berkas tambahan 1: Gambar S2 untuk hubungan detail dalam ESM). Harap diperhatikan bahwa nilai tegangan maksimum absolut jauh lebih kecil dibandingkan dengan proses pemisahan. Jelas, tegangan dan arus tidak simetris dalam proses pemisahan dan kontak. Menggabungkan proses pemisahan dan kontak, tegangan dan arus keluaran bergantian.

Karakteristik keluaran yang dihitung saat perangkat di bawah gaya tekan konstan F. Hubungan muatan-waktu pada berbagai R dalam a proses kontak dan b proses pemisahan. Hubungan arus-waktu pada berbagai R dalam c proses kontak dan d proses pemisahan. Hubungan tegangan-waktu pada berbagai R dalam e proses kontak dan f proses pemisahan

Selain itu, pengaruh berbagai parameter pada hubungan antara daya maksimum P_max dan resistansi yang sesuai ditampilkan pada Gambar 3. Parameter ini dapat dibagi menjadi bahan, struktur, dan kondisi eksperimental. Misalnya, parameter bahan meliputi σ dan ε_r. Parameter struktur terutama ukuran luas S, x_max dan d. Gaya tekan F adalah parameter eksperimental. Bisa dilihat bahwa σ, S, F, dan x_max sangat mempengaruhi P_max, seperti ditampilkan pada Gambar 3a–d. P_max meningkat secara dramatis seiring peningkatan σ, S, F, dan x_max. Parameter σ dan S terutama menentukan jumlah muatan yang dapat dipindahkan. Parameter F dan x_max terutama mempengaruhi persamaan gerakan. Resistansi optimum yang sesuai menurun dengan penurunan x_max sementara jarang dipengaruhi oleh σ, S, dan F. Selain itu, parameter d dan ε_r jarang mempengaruhi P_max dan resistansi yang sesuai, sebagaimana ditampilkan pada Gambar 3e, f. Itu adalah ketebalan efektif lapisan dielektrik d₀ = d/ε_ryang memiliki sedikit pengaruh terhadap performa TENG. Kami dapat menyesuaikan parameter ini untuk mengontrol daya maksimum. Perlu diperhatikan bahwa resistansi yang sesuai biasanya adalah resistor beban elektronik.

Efek parameter terhadap P_max dan resistansi yang sesuai. Profil daya instan dengan R pada berbagai a densitas muatan permukaan σ, b ukuran luas S, c gaya tekan F, d jarak pemisahan maksimum x_max, e ketebalan lapisan dielektrik d, dan f ε_r

Sistem Pegas

Untuk kondisi eksperimental yang lebih populer, sistem pegas disertakan. Gaya tekan F diterapkan secara periodik, sebagaimana ditampilkan pada Gambar 4a. Dalam proses pemisahan (T = t₁), hanya ada gaya pemulihan pegas dan gravitasi, jadi F = 0. Sementara dalam proses kontak (T = t₂ + t₃), gaya tekan F ditambahkan. Dan ini akan berlanjut lama setelah kedua lapisan dalam kontak penuh. Kurva gerakan ditampilkan pada Gambar 4b. Persamaan gerakan yang dihitung dan performa keluaran diturunkan sebagai berikut. (Berkas tambahan 1: Catatan 3 dalam 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)

where \( {\omega}_0^2=k/m \). Dan Persamaan (9.1) dan (9.2) mewakili proses pemisahan dan kontak, masing-masing.

Karakteristik yang dihitung dari TENG mode kontak-pemisahan. a Gaya periodik F. b Gerakan periodik lapisan atas. c Hubungan muatan-waktu pada berbagai R dalam proses kontak dan pemisahan. d Hubungan arus-waktu pada berbagai R dalam proses kontak dan pemisahan. e Hubungan tegangan-waktu pada berbagai R dalam proses kontak dan pemisahan. f Hubungan daya instan maksimum dengan resistansi dalam proses kontak, pemisahan, dan seluruh proses

Dalam proses pemisahan:

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

Dalam proses kontak:

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

where q₀ is the charges that transferred from the BE to the TE in the separation process.

Arus dan tegangan keluaran dapat dihitung sebagai I(t) = dQ/dt dan V(t) = RI(t).

Hubungan muatan-waktu pada berbagai R dalam proses penuh ditampilkan pada Gambar 4c. Proses transfer muatan dibagi menjadi tiga wilayah, yang sesuai dengan gaya periodik. Wilayah I mewakili proses pemisahan dan proses kontak berisi wilayah II dan III. Di wilayah I, muatan dipindahkan ke TE dari BE. Muatan di TE terus meningkat. Di wilayah II, arah aliran muatan terkait dengan resistansi. Muatan di TE terus meningkat ketika resistansi besar (R ≥ 1 GΩ). Ini meningkat ke maksimum lalu menurun ketika resistansi rendah (R ≤ 100 MΩ). Khususnya, ketika R = 0, muatan akan terus menurun di wilayah II. Di wilayah III, muatan di TE terus menurun. Arus keluaran yang sesuai dalam seluruh proses ditampilkan pada Gambar 4d. Arus dalam proses pemisahan dan kontak memiliki tanda berlawanan. Biasanya, nilai arus maksimum dalam proses pemisahan sedikit lebih besar daripada dalam proses kontak. Menariknya, dalam proses kontak, nilai arus maksimum absolut muncul di awal proses kontak atau saat mereka baru bersentuhan. Ketika resistansi besar, ini muncul di awal proses kontak, sebaliknya. Tegangan keluaran meningkat seiring waktu lalu menurun, seperti ditampilkan pada Gambar 4e. Tegangan keluaran akan muncul sebagai nilai negatif dalam proses kontak. Dan nilai absolutnya jauh lebih kecil daripada dalam proses pemisahan. Angka ini selaras dengan grafik eksperimental yang diukur dalam literatur. Arus keluaran yang diukur bergantian secara jelas, dan tegangan keluaran yang diukur biasanya puncak-tajam. Hubungan daya instan maksimum dengan resistansi dalam proses kontak, pemisahan, dan seluruh proses ditampilkan pada Gambar 4f. TENG mencapai daya instan maksimum absolut sekitar 200 MΩ dalam proses pemisahan dan kontak. Sementara dalam proses kontak, ia memiliki nilai maksimum lokal tambahan sekitar 0,1 MΩ. Jadi dalam seluruh proses, daya instan mencapai nilai maksimum sekitar 200 MΩ. Bisa dilihat bahwa kurva daya proses kontak tumpang tindih dengan kurva pemisahan ketika resistansi besar. Karena nilai arus maksimum muncul di persimpangan dua proses ketika R ≥ 200 MΩ.

Selanjutnya, hasil perhitungan P_max dan resistansi optimum yang sesuai ditampilkan pada Gambar 5. Seperti ditampilkan pada Gambar 5a–c, daya instan maksimum meningkat seiring peningkatan parameter x_max, S, dan k. Ini dapat disebabkan oleh kecepatan transfer elektron yang lebih cepat. Pada saat yang sama, resistansi optimum yang sesuai juga berubah. Resistansi optimum menurun seiring peningkatan S dan k, tetapi tren sebaliknya dengan x_max. Pengaruh parameter σ terhadap P_max dan resistansi optimum ditampilkan pada Gambar 5d. P_max meningkat secara cepat seiring peningkatan σ, sementara resistansi optimum tetap konstan. Resistansi optimum juga tidak dipengaruhi oleh ε_r. Namun, seiring peningkatan ε_r, daya instan maksimum meningkat lalu menjadi saturasi. F hampir tidak berpengaruh terhadap daya instan maksimum dan resistansi optimum. Dalam seluruh proses kontak dan pemisahan, F hanya mempengaruhi proses kontak. Jadi arus maksimum dalam proses pemisahan tetap sama. Seperti diilustrasikan pada Gambar 5f, daya instan maksimum tidak berubah. Ini berbeda dengan sistem non-pegas. Dalam sistem non-pegas, F secara langsung mempengaruhi proses pemisahan, sehingga mempengaruhi daya maksimum.

Pengaruh parameter terhadap P_max dan resistansi yang sesuai dalam satu siklus. Hubungan P_max dan resistansi yang sesuai dengan parameter a x_max, b S, c k, d σ, e ε_r, dan f F

Singkatnya, P_max dapat ditingkatkan dengan meningkatkan jarak pemisahan maksimum x_max, luas S, koefisien pegas k, permitivitas relatif lapisan dielektrik ε_r, dan terutama densitas muatan permukaan σ. Misalnya, parameter bahan seperti ε_r dan σ biasanya dioptimalkan untuk mendapatkan daya lebih tinggi [28, 29]. Sementara resistansi optimum dapat disesuaikan oleh parameter x_max, S, dan k. P_max dan resistansi optimum terutama bergantung pada parameter bahan dan struktur.

Efisiensi Konversi η TENG

Kadang-kadang kita lebih peduli tentang P_max sehingga mengabaikan η. Efisiensi adalah parameter penting untuk mengevaluasi sumber energi. η didefinisikan sebagai rasio antara energi listrik keluaran dan energi mekanik masukan. Di sini, kami telah secara sistematis dan langsung meneliti pengaruh parameter ini terhadap efisiensi.

Energi listrik dan energi mekanik diperoleh sesuai dengan pulsa arus pada R optimum. Energi listrik keluaran diberikan oleh

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

di mana rentang waktu antara t_start dan t_end menyatakan seluruh proses kontak dan pemisahan.

Energi mekanik yang dihitung adalah

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

Jadi η dihitung sebagai berikut

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

Hubungan η dengan x_max ditampilkan pada Gambar 6a. Seiring peningkatan x_max, efisiensi η meningkat lalu menjadi saturasi secara bertahap. Kita tahu bahwa energi mekanik dan daya maksimum proporsional dengan x_max. Namun, peningkatan x_max akan mengubah tajamnya kurva arus-waktu. Ini berarti laju pertumbuhan akan melambat ketika x_max lebih besar. Pengaruh parameter S, k, dan σ terhadap η ditampilkan pada Gambar 6b–d. Tren peningkatan efisiensi η dengan parameter ini serupa dengan daya maksimum. Efisiensi η secara bertahap meningkat seiring peningkatan S dan k. Secara luar biasa, σ dapat sangat mempengaruhi efisiensi η. Parameter ε_r sulit diubah, dan untungnya, ia hampir tidak mempengaruhi η sebagaimana ditampilkan pada Gambar 6e. Seperti ditampilkan pada Gambar 6f, efisiensi η menurun secara cepat seiring peningkatan F. Ini terutama disebabkan oleh peningkatan energi mekanik. Jelas, efisiensi relatif rendah. Untungnya, kita dapat meningkatkan efisiensi secara besar dengan meningkatkan σ.

Efisiensi konversi η TENG. Hubungan efisiensi konversi yang dihitung dengan parameter a x_max, b S, c k, d σ, e ε_r, dan f F

Dalam situasi praktis, F dapat mempengaruhi parameter σ [30]. Di bawah F kecil, kedua lapisan dalam kontak parsial. Kedua lapisan dapat mendapatkan kontak yang lebih baik seiring peningkatan F. Kemudian parameter F dapat hampir mempengaruhi densitas muatan permukaan σ. Itu artinya σ meningkat seiring F lalu menjadi saturasi, seperti ditampilkan pada Gambar 7a. Oleh karena itu, kami menghitung ulang hubungan antara performa keluaran dan gaya tekan F. Pengaruh F pada arus maksimum, tegangan, dan daya instan ditampilkan pada Gambar 7b–d, masing-masing. Mereka memiliki hubungan yang serupa dengan F. Misalnya, tegangan keluaran meningkat seiring peningkatan F lalu tetap konstan, yang selaras dengan data eksperimental dalam literatur [31, 32]. Pengaruh F pada energi listrik ditampilkan pada Gambar 7e. Harap diperhatikan bahwa ada titik balik pada kurva. Energi listrik keluaran meningkat seiring peningkatan F lalu menurun sedikit. Penurunan kecil energi listrik keluaran disebabkan oleh proses kontak yang lebih singkat di bawah F yang lebih besar. Di bawah gaya tekan kecil, F proporsional dengan σ, yang menghasilkan energi listrik keluaran yang lebih besar. Namun, di bawah gaya tekan besar, σ menjadi saturasi. Muatan yang dipindahkan dalam proses pemisahan tetap konstan sementara menurun dalam proses kontak di bawah gaya tekan yang lebih besar. Jadi energi listrik keluaran dalam seluruh proses pemisahan dan kontak menurun sedikit. Hubungan η dan F disajikan pada Gambar 7f. Menariknya, kurva η-F memiliki puncak-tajam dan nilai maksimum muncul pada F ≈ 50 N. Input E_mechanical proporsional dengan F, sementara E_mechanical jauh lebih besar dari output E_electric. Di bawah F kecil, laju pertumbuhan E_electric lebih cepat dari E_mechanical karena peningkatan cepat σ. Namun, di bawah F besar, penurunan E_electric dan peningkatan E_mechanical menghasilkan efisiensi yang lebih rendah. Titik balik dalam hubungan antara efisiensi konversi energi dan gaya tekan penting dalam desain sumber energi yang efektif.

Hubungan performa keluaran dengan gaya tekan F dalam situasi praktis. a Pengaruh gaya tekan F pada a densitas muatan permukaan σ, b arus maksimum, c tegangan maksimum, d daya instan maksimum, e energi listrik, dan f efisiensi

Untuk mendapatkan performa keluaran yang lebih tinggi seperti arus dan daya instan, gaya tekan F besar biasanya diterapkan. Namun itu dapat menyebabkan efisiensi konversi yang rendah. Menurut analisis di atas, kita dapat memilih F yang rasional untuk mendapatkan daya tinggi serta efisiensi konversi.

Kesimpulan

Singkatnya, kami memperkenalkan pendekatan praktis untuk menganalisis secara sistematis dan langsung efisiensi konversi TENG mode kontak. Melebihi analisis konvensional, gaya tekan diperkenalkan untuk menghasilkan profil gerakan yang lebih serbaguna, yang memberikan pemahaman yang lebih baik tentang prinsip operasi proses kontak-pemisahan. Persamaan eksplisit untuk performa perangkat penting dalam seluruh proses pemisahan dan kontak disajikan, berbeda dengan analisis konvensional yang hanya fokus pada proses pemisahan. Pertama, kami menganalisis hubungan performa keluaran dengan parameter bahan, struktur, dan eksperimental, yang terutama untuk daya keluaran yang lebih tinggi. Kemudian, yang penting, kami secara sistematis dan mendalam meneliti pengaruh parameter ini terhadap efisiensi konversi energi dalam seluruh proses. Pentingnya, titik balik ditemukan dalam hubungan antara efisiensi konversi dan gaya tekan. TENG dengan daya keluaran tinggi dan efisiensi konversi tinggi dapat diperoleh secara bersamaan di bawah gaya optimum. Ini realistis dan berguna untuk TENG yang lebih efisien. Pentingnya, ini berpeluang baik untuk menetapkan standar untuk mengukur efisiensi TENG, yang menjadi dasar untuk industrialisasi dan multifungsi TENG selanjutnya.

Singkatan

BE:

Elektrode bawah

TE:

Elektrode atas

TENGs:

Nanogenerator triboelektrik