Nanogenerator Triboelektrik Serat Inti-Kulit Tenunan 2D Memanfaatkan Gerakan Tubuh menjadi 6 V, 575 nA, Menyalakan LED dan Kapasitor

Abstrak

Elektronik wearable membutuhkan sumber daya mandiri yang kompak yang dapat menapak energi kinetik ambien. Di sini kami menyajikan nanogenerator triboelektrik tenunan 2D (2DW-WTNG) yang dibuat dari serat inti-kulit yang mengubah gerakan manusia menjadi listrik. Perangkat menghasilkan tegangan puncak 6,35 V dan arus puncak 575 nA, yang sesuai dengan padatan daya 2,33 mW m⁻² pada beban 50 MΩ. Luar biasa, perangkat menghasilkan muatan dari perpindahan kecil hingga 0,4 mm dan beroperasi secara berkelanjutan selama 12 jam tanpa kehilangan kinerja.

Pendahuluan

Perangkat portabel, wearable, dan implantasi telah meluas, namun baterai konvensional masih kurang dalam kapasitas, umur, dan dampak lingkungan. Menapak energi mekanis yang inherent dalam aktivitas harian manusia menawarkan alternatif yang berkelanjutan. Nanogenerator triboelektrik (TENG) mengubah pemisahan muatan yang diinduksi kontak dan induksi elektrostatik menjadi listrik yang dapat digunakan. Meskipun banyak desain TENG ada, banyak bergantung pada substrat rapuh yang mengakibatkan daya tahan. 2DW-WTNG kami menghilangkan keterbatasan ini dengan mengintegrasikan serat konduktif inti-kulit langsung ke dalam kain tenunan, memungkinkan produksi yang kuat dan terukur.

Metode

Pembuatan Serat Komposit Inti-Kulit

Kami menggabungkan benang jahit nylon (110 µm) dengan kawat tembaga berlapis (60 µm) dan benang jahit polyester (200 µm) dengan kawat baja (60 µm) menggunakan dukungan berputar yang meniru putaran tangan. Proses ini menghasilkan serat nylon/tembaga berdiameter 380 µm dan serat polyester/baja berdiameter 385 µm, masing-masing dengan inti logam yang dikelilingi oleh kulit polimer. Intinya tembaga diisolasi untuk mencegah short-circuit, sementara inti baja memberikan kekuatan struktural.

Tenunan 2DW-WTNG

Empat grup serat nylon/tembaga dan empat grup serat polyester/baja diknitting ortogonal untuk membentuk area aktif 15 mm × 15 mm dengan lebar grating 7 mm. Kain yang dihasilkan mirip kain konvensional, membuatnya kompatibel dengan tenun industri untuk produksi massal.

Karakterisasi Elektrik

Perangkat dioperasikan oleh motor linear, menggerakkan lapisan atas terhadap lapisan bawah dalam gerakan geser bolak-balik. Arus dan tegangan output direkam di bawah kecepatan geser, perpindahan, dan orientasi relatif yang bervariasi.

Hasil dan Pembahasan

Kontak geser antara nylon (positif triboelektrik) dan polyester (negatif triboelektrik) menghasilkan transfer muatan bergantian, mengarahkan elektron di antara dua lapis elektroda. Output puncak 575 nA dan 6,3 V dicapai pada perpindahan 8 mm dan kecepatan 0,15 m s⁻¹. Padatan daya mencapai puncak 2,33 mW m⁻² saat terhubung ke resistor 50 MΩ.

Peningkatan kecepatan geser meningkatkan nilai puncak: pada 0,125 m s⁻¹, arus naik ke 415 nA dan tegangan ke 6,6 V. Perpindahan kecil hingga 0,4 mm masih menghasilkan output yang terukur (2,3 nA, 0,05 V), menunjukkan sensitivitas terhadap gerakan manusia minimal.

Perangkat mempertahankan kinerja di berbagai orientasi dalam bidang, menghasilkan 134 nA dan 2,23 V pada sudut relatif 50°, mengonfirmasi adaptabilitasnya terhadap gerakan tubuh sembarangan.

Saat terhubung ke rectifier jembatan, 2DW-WTNG segera menyala LED merah dan mengisi kapasitor 0,47 µF hingga 1,84 V dalam 1 menit, menyimpan 3,84 mC m⁻². Operasi berkelanjutan selama 12 jam menunjukkan degradasi yang bisa diabaikan, menekankan ketahanan mekanisnya.

Kesimpulan

2DW-WTNG menunjukkan platform yang terukur dan tahan lama untuk menapak energi gerakan manusia. Arsitektur serat inti-kulit dan desain tenunan memberikan tegangan tinggi, arus yang cukup untuk elektronik daya rendah, dan operasi yang kuat di bawah berbagai arah gerakan. Teknologi ini membuka jalan untuk perangkat wearable yang benar-benar mandiri.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data dan analisis tersedia dari penulis yang bertanggung jawab atas permintaan yang wajar.

Singkatan

2DW-WTNG

2D woven wearable triboelectric nanogenerator

AC

Arus bolak-balik

DC

Arus searah

LED

Dioda pemancar cahaya

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

WTNG

Wearable triboelectric nanogenerator