Nanogerador Triboelétrico em 2D baseado em fibra Core-Shell para coleta de energia de movimento eficaz

Resumo

Dispositivos eletrônicos pessoais têm uma tendência geral de desenvolvimento de miniaturização, funcionalidade e facilidade de uso. Sua operação sem fio, sustentável e independente é extremamente importante, o que requer novas tecnologias de energia que podem coletar a energia ambiental do ambiente. Aqui, relatamos um novo tipo de nanogerador triboelétrico usável tecido 2D (2DW-WTNG) composto de fibras de núcleo-casca por meio do processo de torção e do processo de tecelagem na manufatura têxtil. O 2DW-WTNG pode converter a energia do movimento do corpo em eletricidade com uma corrente de saída de 575 nA e uma tensão de saída de 6,35 V. Com uma carga externa de 50 MΩ, gerou uma densidade de potência máxima de 2,33 mW / m ² . A eletricidade pode ser produzida a partir do 2DW-WTNG conduzido em direções arbitrárias no plano. Um pequeno deslocamento de 0,4 mm pode impulsionar o 2DW-WTNG, que verificou sua capacidade de coletar energia de pequenos movimentos humanos. O robusto 2DW-WTNG pode funcionar continuamente por 12 horas sem degradação óbvia de desempenho.

Introdução

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia eletrônica, vários dispositivos eletrônicos pessoais portáteis, vestíveis e até implantáveis foram inventados para tornar nossa vida diária melhor [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, 11]. No entanto, devido às limitações inerentes às baterias tradicionais, como capacidade limitada, vida útil curta, dificuldade de manutenção e riscos ambientais [12,13,14], o aumento da produção e a ampla aplicação de dispositivos eletrônicos pessoais tornam as demandas urgentes por um novo fornecimento de energia [15,16,17,18,19]. É urgentemente necessário desenvolver novas fontes de energia que permitam que os dispositivos eletrônicos funcionem de forma sustentável e oportuna. A energia do movimento corporal proveniente das atividades diárias humanas existe amplamente, não importa o que você faça e onde estiver [20]. Se essa energia mecânica puder ser efetivamente colhida e convertida em eletricidade, ela pode alimentar dispositivos eletrônicos pessoais quando e onde for necessário.

Como um novo tipo de dispositivo de geração de energia para converter energia mecânica em eletricidade [21,22,23,24], os nanogeradores triboelétricos são baseados no acoplamento do efeito de eletrificação de contato e a indução eletrostática [25,26,27,28, 29,30]. Eles foram demonstrados com sucesso como fontes de energia sustentáveis para eletrônicos portáteis, sensores, monitores ambientais e assim por diante [31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44] . Entre eles, o nanogerador triboelétrico vestível (WTNG) foi projetado para converter a energia do movimento do corpo das atividades humanas em eletricidade [45,46,47]. Os WTNGs atuais podem ser divididos em duas categorias, dependendo se um substrato é usado. A maioria dos WTNGs pertence à primeira categoria e tem seu eletrodo e camada de fricção revestidos em um substrato flexível, como uma fibra têxtil ou um pedaço de tecido [48,49,50,51,52,53]. Eles possuem boa maciez, flexibilidade e leveza. No entanto, a adesão entre o eletrodo carregado e os substratos é pobre, o que reduz muito sua durabilidade e usabilidade, e ainda torna esses WTNGs indisponíveis para uso a longo prazo. A segunda categoria de WTNG não depende de substrato extra e seus materiais de construção são usados diretamente como camadas de fricção com eletrodos. Um WTNG com base em tecido de náilon e tecido de poliéster evitou habilmente o problema de adesão do substrato [54]. Posteriormente, foi desenvolvido um tipo de WTNG com fio condutor de aço inoxidável como eletrodo e borracha de silicone e PDMS como materiais da camada de atrito [55,56,57]. No entanto, esses WTNGs ou não têm robustez de longo prazo ou têm um processo de fabricação bastante complicado que pode ser usado na fabricação em grande escala.

Neste trabalho, nós fabricamos um novo tipo de nanogerador triboelétrico 2D tecido vestível (2DW-WTNG) com méritos de robustez e processo de produção contínuo que é adequado para produção em larga escala. Um 2DW-WTNG com um tamanho de 1,5 × 1,5 cm ² gerou uma tensão de saída e uma corrente de saída de 6,35 V e 575 nA, respectivamente. Conectado a uma carga externa de 50 MΩ, ele gera uma densidade de potência máxima de 2,33 mW / m ² . Depois de conectado a uma ponte retificadora, o 2DW-WTNG alimentou instantaneamente um diodo emissor de luz (LED) comercial sem nenhum processo de armazenamento de energia. Ele também foi usado para carregar um capacitor de 0,47 mF de 0 V a 1,84 V em 1 min. Além disso, mostrou boa sensibilidade a movimentos externos até um deslocamento de 0,4 mm, boa adaptabilidade para trabalhar ao longo de direções arbitrárias no plano e em diferentes modos de trabalho, e boa robustez para trabalhar continuamente por 12 h sem degradação.

Métodos

Fabricação de fibra condutiva composta de Nylon / cobre / núcleo e fibra condutiva composta de poliéster / aço / núcleo

Os materiais de origem para a fibra composta de náilon / cobre são a linha de náilon para costurar diariamente (110 μm de diâmetro) e o fio de cobre esmaltado (60 μm de diâmetro). Os materiais de origem para a fibra composta de poliéster / aço são a linha de poliéster de costura diária (200 μm de diâmetro) e o fio de aço (60 μm de diâmetro). Dois tipos de fibras compostas de polímero / metal foram preparadas usando um suporte rotativo caseiro, conforme mostrado na Fig. 1. Para a preparação da fibra composta de náilon / cobre, o fio de cobre esmaltado foi primeiro preso no meio do suporte rotativo e depois dois fios de náilon foram fixados em duas extremidades do suporte giratório. Em seguida, a parte superior desses três fios foi presa e desligada. Finalmente, partindo do suporte giratório, fios de náilon foram entrelaçados e enrolados em torno do fio de cobre do meio, e a fibra composta de náilon / cobre com estrutura núcleo-casca (380 μm de diâmetro) foi formada. O preparo da fibra composta de poliéster / aço foi semelhante ao da fibra composta de náilon / cobre, em que o fio de cobre esmaltado foi substituído pelo fio de aço e o fio de náilon foi substituído pelo fio de poliéster. A estrutura núcleo-concha foi obtida com um fio de aço firmemente revestido com fio de poliéster (385 μm de diâmetro). Aqui, diferentes fios de metal foram escolhidos para equilibrar a estabilidade e o desempenho de saída do 2D-WTNG. Comparado com o aço, o fio de cobre foi coberto com uma fina camada isolante, que foi usada para evitar o curto-circuito durante o processo de trabalho do 2D-WTNG. Se o aço foi selecionado para ser o eletrodo núcleo de ambas as fibras, pode ocorrer atrito e abrasão após um longo tempo de trabalho, no qual pode ocorrer curto-circuito entre o eletrodo positivo e o negativo. Isso diminuirá a estabilidade do 2D-WTNG. Se o cobre foi selecionado para ser o eletrodo de núcleo para ambas as fibras, o efeito de indução eletrostática seria enfraquecido pela camada isolante na superfície do fio de cobre, o que reduzirá o desempenho do 2D-WTNG. Este processo de preparação da fibra composta de polímero / metal imita o modelo da torção tuo, que é uma ferramenta simples para torcer o fio à mão. Usando este método, a fibra composta de polímero / metal pode ser colocada em produção em massa usando uma máquina de torção na fábrica.

Fabricação e estrutura do 2DW-WTNG. a Diagrama esquemático ilustrando o processo de fabricação. Imagens SEM do fio de náilon ( b ) e o fio de poliéster ( c ), respectivamente. Imagens ópticas do fio de cobre revestido com fio de náilon ( d ) e o fio de aço revestido com fio de poliéster ( e ), respectivamente. f Imagens ópticas do 2DW-WTNG

Fabricação do 2DW-WTNG

A fibra condutora composta de nylon / cobre preparada e a fibra condutora composta de poliéster / aço foram integradas ao tecido pela técnica geral de tricô. Nove fibras compostas de náilon / cobre foram colocadas lado a lado como um grupo, e nove fibras compostas de poliéster / aço foram colocadas juntas lado a lado como um grupo. Dois grupos de fibras compostas de nylon / cobre e dois grupos de fibras compostas de poliéster / aço foram tricotados no WTNG com estrutura tecida 2D. As partes superior e inferior do 2DW-WTNG têm um tamanho de 15 mm × 15 mm (composto por 36 fibras compostas) e 38 mm × 38 mm (composto por 90 fibras compostas), respectivamente. A largura da grade era de cerca de 7 mm, conforme mostrado na Fig. 1. Aqui, a largura da grade é determinada pelo diâmetro da fibra composta e o número da fibra composta usada em um grupo; assim, a largura da grade pode ser convenientemente ajustada aumentando ou diminuindo o número de fibras compostas em um grupo. Este processo tecido pode ser feito em tear na fábrica quando for necessária uma produção massiva.

Medições do 2DW-WTNG

O 2DW-WTNG com um tamanho efetivo de 15 mm × 15 mm e uma largura de grade de 7 mm foi testado movendo-se periodicamente para frente e para trás. Nas medições, o 2DW-WTNG inferior foi fixado em um estágio mecânico firmemente montado na mesa experimental, e o 2DW-WTNG superior foi colocado em cima do 2DW-WTNG inferior e conectado a um motor linear. Impulsionado pelo motor linear com velocidade e deslocamento deslizante controlados, o 2DW-WTNG superior faz um movimento linear alternativo na faixa do inferior em uma direção paralela à superfície do dispositivo, o que mantém a área de contato efetiva inalterada o tempo todo .

Resultados e discussão

Usando a tecnologia de torção na manufatura têxtil, uma fibra composta estrutural com núcleo e casca foi fabricada com arame de metal como eletrodo central e fios de costura como camadas de atrito externas. O 2DW-WTNG foi fabricado posteriormente pela tecelagem de dois tipos de fibras compostas estruturadas com núcleo-casca por meio de um processo de tecelagem ortotrópica. A Figura 1a mostra a ilustração estrutural do 2DW-WTNG com duas partes iguais. Em cada parte do 2DW-WTNG, fibras compostas de náilon / cobre dispostas em uma direção foram coletadas como um eletrodo, e fibras compostas de poliéster / aço dispostas na outra direção foram coletadas como o outro eletrodo. Dois tipos de fibras compostas foram preparados usando uma configuração rotativa caseira funcionando como uma máquina de torção na fábrica. Imagens de microscópio eletrônico de varredura (SEM) mostradas nas Figs. 1a e c revelam a aparência superficial do fio de náilon inicial com diâmetro de 110 μm e do fio de poliéster com diâmetro de 200 μm, respectivamente. As Figuras 1d e e são as imagens ópticas da fibra composta de nylon / cobre preparada e fibra composta de poliéster / aço, respectivamente, a partir das quais a estrutura núcleo-casca pode ser observada distintamente. A Figura 1f exibe uma imagem óptica do 2DW-WTNG final feito de quatro grupos de fibras compostas de náilon / cobre e quatro grupos de fibras compostas de poliéster / aço. Com a estrutura tecida em comprimento e largura, ela se assemelha a um pedaço de pano comum, e o processo de fabricação detalhado é ilustrado na seção “Métodos”.

O desempenho de geração de energia do 2DW-WTNG é estudado. Conforme mostrado na Fig. 2a, a parte superior e a parte inferior do 2DW-WTNG foram fixadas face a face, e a parte superior pode deslizar para a direita e para a esquerda contra a parte inferior. Uma vez que o deslizamento relativo ocorreu entre a parte superior e a parte inferior, as superfícies de contato esfregaram uma na outra. Como o poliéster é mais triboeletricamente negativo do que o náilon de acordo com a série triboelétrica, os elétrons são injetados do náilon no poliéster, produzindo cargas triboelétricas positivas na superfície do náilon e cargas negativas na superfície do poliéster. Quando a parte superior deslizou para a direita e a superfície de contato deslizou para uma posição desalinhada, como mostrado no estágio I, o campo elétrico líquido surgiu como resultado de cargas triboelétricas não compensadas nas regiões desalinhadas, conduzindo elétrons livres do eletrodo em poliéster movendo-se para o eletrodo em nylon até que o campo elétrico fosse filtrado pelas cargas induzidas nos eletrodos. Quando a parte superior continuou deslizando para a direita, a superfície de contato ficou alinhada e as cargas triboelétricas de sinais opostos ficaram completamente equilibradas, levando a um refluxo dos elétrons livres induzidos (estágio II). À medida que o deslizamento para a direita ocorria, a superfície de contato era trazida de volta para a posição desalinhada e os elétrons livres eram conduzidos do eletrodo em poliéster para o eletrodo em náilon, conforme mostrado no estágio III. Consequentemente, um ciclo do processo de geração de eletricidade para o 2DW-WTNG foi concluído. Beneficiado do desenho de grade com estrutura interfásica entre fibra composta de náilon / cobre e fibra composta de poliéster / aço, carga transferida alternadamente entre dois eletrodos durante este processo. Experimentalmente, a situação de contato inicial depende de como a parte superior e a parte inferior são colocadas. No entanto, não influenciará a saída do 2DW-WTNG. Devido à mesma estrutura de grade, a situação de contato inicial não faz diferença no valor de pico de saída, mas muda a direção do pico de saída. Se a situação de contato inicial for positiva para positiva, a situação de contato primeiro passará de positivo para negativo e depois de positivo para positivo com um pico de saída positivo seguido por um pico de saída negativo. Em contraste, se a situação de contato inicial for positiva para negativa, a situação de contato irá primeiro passar de positivo para positivo e então de positivo para negativo com um pico de saída negativo seguido por um pico de saída positivo.

Características de geração de energia do 2DW-WTNG. a Processo geral do mecanismo de geração de eletricidade. b Corrente de saída e c tensão de saída do 2DW-WTNG. As inserções em b e c são visualizações ampliadas da corrente de saída e da tensão de saída. d Corrente (círculo sólido) e densidade de potência (círculo aberto) do 2DW-WTNG com diferentes resistências de carga

Um 2DW-WTNG com um tamanho de 15 mm × 15 mm e a largura da grade de 7 mm foi testado movendo-se periodicamente para frente e para trás. O método de medição detalhado é ilustrado na seção “Métodos”. Com um deslocamento de deslizamento de 8 mm e uma velocidade de deslizamento de 0,15 m / s, o 2DW-WTNG produziu uma saída de corrente alternada contínua (AC) com uma amplitude máxima de 575 nA a uma frequência constante de 2,7 Hz (Fig. 2b). A tensão de saída atingiu 6,3 V na mesma frequência da corrente de saída (Fig. 2c). A vista ampliada da corrente de saída e da tensão de saída em um ciclo de trabalho é inserida nas Figs. 2b e c, respectivamente. Em um ciclo de trabalho, há dois pacotes de ondas, um representando o deslizamento unilateral para a direita e o outro representando o deslizamento unilateral para a esquerda. E há dois pulsos positivos e dois pulsos negativos em cada pacote de onda. Este resultado está de acordo com a estrutura do dispositivo contendo quatro grupos de fibras compostas de nylon / cobre e quatro grupos de fibras compostas de poliéster / aço como mostrado na Fig. 1f, que verifica ainda se a saída no modo deslizante está intimamente ligada à grade largura e número da grade no dispositivo.

Como fonte de alimentação na prática, o 2DW-WTNG precisa ser conectado a cargas externas. Resistores foram usados para investigar a dependência da potência elétrica de saída na carga externa. A Figura 2d mostra a corrente instantânea e a densidade de potência de saída instantânea versus a resistência de carga externa. A densidade de potência de saída instantânea foi calculada como a razão da potência de saída instantânea ( I ² R ) e a área do dispositivo. Verificou-se que a corrente instantânea diminuiu com o aumento da resistência da carga devido à perda ôhmica. A densidade de potência de saída instantânea aumentou em baixas resistências e atingiu um valor máximo de 2,33 mW / m ² na resistência de carga de 50 MΩ e, em seguida, diminuiu na resistência mais alta. Este resultado indica o potencial do 2DW-WTNG para ser uma fonte de alimentação para alguns dispositivos eletrônicos pessoais, especialmente para aqueles com uma resistência de carga de cerca de dezenas de megohm.

O desempenho de saída do 2DW-WTNG no modo acionado por deslizamento depende muito da taxa de separação da carga triboelétrica. Para estudar isso profundamente, o desempenho de saída do 2DW-WTNG com um tamanho de 15 mm × 15 mm e uma largura de grade de 7 mm foi caracterizado por se mover periodicamente em diferentes velocidades de deslizamento relativas com um determinado deslocamento de deslizamento de 8 mm. As Figuras 3a e b mostram a corrente de saída e a tensão de saída do 2DW-WTNG a uma velocidade média de deslizamento de 0,025 m / s, 0,050 m / s, 0,075 m / s, 0,100 m / s e 0,125 m / s, respectivamente. Na curva de corrente e curva de tensão, há um pico de saída total em 320 ms em movimento unilateral e outro pico de saída em 320 ms movendo-se na direção reversa a uma velocidade de deslizamento de 0,025 m / s. Dentro do mesmo tempo de trabalho, um aumento da velocidade causou o aumento do número do pico de saída de um em 0,025 m / s para cinco em 0,125 m / s. Era porque uma maior velocidade de deslizamento encurtou o tempo necessário para um ciclo de trabalho e aumentou ainda mais o número de ciclos de trabalho no mesmo tempo de trabalho. O valor de pico atual foi aumentado de 101 nA a 0,025 m / s para 415 nA a 0,125 m / s, o que implicava que um aumento da velocidade de deslizamento poderia efetivamente aumentar a velocidade de separação da carga triboelétrica e levar a um grande valor de pico de saída . O valor de pico da tensão foi aumentado de 3,6 V a 0,025 m / s para 6,6 V a 0,125 m / s, que foi resultado do circuito elétrico de medição. As resistências de entrada do circuito de medição de tensão e do 2DW-WTNG formaram um circuito elétrico RC, e a corrente de fuga no 2DW-WTNG foi reduzida ao aumentar a velocidade de deslizamento, resultando no aumento contínuo do valor de pico da tensão de saída. Esses resultados demonstram claramente que o valor de pico de saída estava intimamente relacionado à velocidade de deslizamento. Além da velocidade de deslizamento, o deslocamento deslizante é outro fator que influenciou amplamente o desempenho de saída do 2DW-WTNG. Considerando que a maior parte da energia mecânica no movimento do corpo humano é proveniente de movimentos de pequena amplitude, é necessário colher a energia mecânica fraca. Para explorar esse aspecto, o 2DW-WTNG foi testado trabalhando em um deslocamento de deslizamento de 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm e 2,0 mm com uma velocidade de deslizamento fixa de 0,1 m / s. A corrente e a tensão de saída são mostradas nas Figs. 3c e d. Seu valor de pico de saída aumentou com o deslocamento deslizante. No deslocamento mais curto de 0,4 mm, o valor de pico de saída atingiu 2,3 nA e 0,05 V, respectivamente, exibindo sua capacidade de eliminar energia mecânica de pequenos movimentos. De acordo com o mecanismo de funcionamento do 2DW-WTNG no modo de deslizamento horizontal, houve uma transferência de carga alternada ao deslizar sobre uma grade. Assim, é promissor para melhorar ainda mais a saída do 2DW-WTNG no modo deslizante, estreitando a largura ou o diâmetro das correias tecidas ou fibras tecidas em menor escala.

Desempenho de geração de energia do 2DW-WTNG sob diferentes velocidades de deslizamento relativas e deslocamentos de deslizamento relativos. a Corrente de saída e b a tensão de saída do 2DW-WTNG variou com as velocidades de deslizamento de 0,025 m / s, 0,050 m / s, 0,075 m / s, 0,100 m / s e 0,125 m / s em um determinado deslocamento de deslizamento de 8 mm. c Corrente de saída e d a tensão de saída do 2DW-WTNG variou com os deslocamentos de deslizamento de 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm e 2,0 mm a uma dada velocidade de deslizamento de 0,100 m / s

Considerando a complexidade das atividades humanas, a energia do movimento do corpo pode vir de diferentes direções. Portanto, um WTNG qualificado deve ser capaz de coletar energia dos movimentos corporais em diferentes direções. Em outras palavras, um WTNG trabalhando no modo de deslizamento planar deve funcionar ao longo de direções de deslizamento arbitrárias. Conforme mostrado na Fig. 4a, duas partes do 2DW-WTNG foram colocadas face a face e a parte superior pode deslizar sobre a parte inferior ao longo do X -eixo. Mantendo a direção do movimento, girar a parte superior resultou em um ângulo ( θ ) entre a direção de deslizamento e um lado da parte superior. Aqui, o θ representava essencialmente a orientação de trabalho relativa entre a parte superior e a parte inferior do 2DW-WTNG, o que exigia que o 2DW-WTNG fosse capaz de trabalhar em diferentes orientações de trabalho relativas. Para elucidar isso, o 2DW-WTNG foi testado em um conjunto de θ valores (0 °, 10 °, 20 °, 30 °, 40 ° e 50 °) acionados pelo motor linear a uma velocidade de deslizamento de 0,10 m / se um deslocamento de deslizamento de 10 mm. Sua corrente de saída e tensão de saída em diferentes θ são mostrados nas Figs. 4b e c. O dispositivo gerou uma corrente de saída de 134,45 nA e uma tensão de saída de 2,23 V, respectivamente, em uma orientação de trabalho relativa de 50 °. Enquanto isso, devido à simetria no plano, a corrente de saída e a tensão de saída em 40 ° estavam muito próximas daquelas em 50 °. Embora a corrente de saída e a tensão de saída tenham diminuído ligeiramente como θ aumenta como resultado da diminuição da área de atrito efetiva causada pelas grades incompatíveis entre a parte superior e a parte inferior do 2DW-WTNG, estes resultados experimentais validaram fortemente que o 2DW-WTNG poderia funcionar normalmente em diferentes orientações de trabalho. Beneficiada pela fibra composta cilíndrica, sua superfície lisa fazia com que o deslizamento se tornasse contínuo e repousante, ao invés do deslizamento oscilante nas grades estreitas com borda obviamente elevada feita por processo litográfico. Da mesma forma, se um movimento externo ao longo da direção arbitrária no plano fosse aplicado na parte superior do 2DW-WTNG, ele deslizou ao longo da direção do movimento e esfregou com a parte inferior e, portanto, a energia do movimento poderia ser colhida e convertida em eletricidade .

Adaptabilidade do 2DW-WTNG trabalhando ao longo de direções arbitrárias no plano. a Diagrama esquemático para o 2DW-WTNG trabalhando em diferentes orientações relativas. b Corrente de saída e c tensão de saída do 2DW-WTNG em orientação relativa diferente

Como um coletor de energia, a saída do 2DW-WTNG deve ser alta o suficiente para alimentar alguns dispositivos eletrônicos. Conforme mostrado na Fig. 5a, o 2DW-WTNG foi conectado a uma ponte retificadora e então conectado a dois circuitos ramificados. Com o retificador em ponte, a saída CA do 2DW-WTNG foi transformada em saída de corrente contínua (CC). O sinal DC retificado é mostrado na Fig. 5b. Ao conectar a ponte retificadora ao primeiro circuito de ramificação, o sinal DC retificado foi usado diretamente para acender o LED vermelho conforme mostrado na inserção e no arquivo adicional 1:Vídeo S1. Quando a ponte retificadora foi conectada ao segundo circuito de ramal, a eletricidade do 2DW-WTNG carregou um capacitor comercial de 0,47 μF. A curva de carga é mostrada na Fig. 5c e sua quantidade de carga correspondente armazenada no capacitor é mostrada na inserção. O capacitor foi carregado a 1,84 V em 1 min, e a densidade de carga correspondente atingiu 3,84 mC / m ² . Esses dois testes indicaram que, como um coletor de energia, o 2DW-WTNG não só poderia ser usado como uma fonte de alimentação de emergência conveniente, mas também como combustível para uma célula de armazenamento. Além disso, a estabilidade do 2DW-WTNG é um fator essencial para garantir suas aplicações práticas. Aqui, a estabilidade do 2DW-WTNG foi testada fazendo-o funcionar continuamente por 12 h a uma velocidade de deslizamento de 0,1 m / se um deslocamento de deslizamento de 8 mm. As curvas de corrente em 10 s para cada hora são mostradas na Fig. 5d, e pouca mudança pode ser encontrada no valor da corrente de saída após trabalho contínuo de 12 h, exibindo desempenho de geração de energia altamente estável. Além disso, para demonstrar a versatilidade do 2DW-WTNG na eliminação de energia em vários tipos, um grupo de medições elétricas foi conduzido no 2DW-WTNG. Como mostrado na inserção na Fig. 5e, o atrito efetivo ocorre quando a parte superior do 2DW-WTNG primeiro em contato vertical com a parte inferior do 2DW-WTNG (processo I) e, em seguida, desliza horizontalmente no 2DW-WTNG inferior (processo II). Durante a medição, a operação de contato-deslizamento-separação foi repetida várias vezes, e sua corrente de saída é mostrada na Fig. 5e. Para o primeiro processo de atrito de contato vertical, houve um pico de saída alto, mas estreito, e, em seguida, para o processo de atrito de deslizamento horizontal seguinte, houve um pico baixo, mas amplo. No último processo de separação vertical para o próximo ciclo de medição, um pico de saída alto, mas estreito, deveria aparecer, mas estava faltando. Isso pode ser atribuído a duas razões. Uma é que a parte superior do 2DW-WTNG deslizou para fora da parte inferior oposta do 2DW-WTNG, e o potencial elétrico estava quase equilibrado. O outro é que o último processo de separação vertical foi bastante lento, então o potencial elétrico atingiu rapidamente o equilíbrio no ar. A análise sintética confirmou que esses dois tipos de picos de corrente de saída eram consistentes com as características dos dois modos de trabalho do 2DW-WTNG, exibindo sua forte adaptabilidade para eliminar energia da pressão positiva vertical e força tangencial horizontal nos movimentos do corpo humano.

Aplicação do 2DW-WTNG. a Circuito de retificação com dois circuitos ramificados no terminal de saída. b Sinal de corrente de saída retificado. A inserção é uma imagem óptica de um LED vermelho alimentado pelo sinal de corrente retificado. c Curva de carga para um capacitor comercial de 0,47 μF carregado pela corrente retificada. A inserção é a carga de saída correspondente armazenada no capacitor. d Corrente de saída do 2DW-WTNG trabalhando continuamente por 12 h. e Corrente de saída do 2DW-WTNG trabalhando em dois modos de trabalho diferentes, demonstrando a versatilidade do 2DW-WTNG na eliminação da energia do movimento do corpo humano. O processo de trabalho é mostrado no encarte

Arquivo adicional 1: Vídeo S1. Vídeo de iluminação instantânea de um LED vermelho. (AVI 1334 kb)

Conclusões

Em resumo, um novo WTNG com estrutura de tecido 2D como fonte de alimentação vestível foi desenvolvido por meio de uma abordagem facilmente escalável. Este 2DW-WTNG demonstrou sua boa capacidade de converter a energia mecânica em eletricidade e gerou uma densidade de corrente de até 2,73 mA / m ² . Ele pode alimentar instantaneamente um LED vermelho comercial sem a necessidade de um processo de armazenamento de energia. Ele também pode ser usado para carregar um capacitor de 0,47 μF a 1,84 V em 1 min e a densidade de carga atingiu 3,84 mC / m ² em 1 min. Beneficiado da robustez da fibra estruturada core-shell e da estrutura tecida, o 2DW-WTNG pode funcionar em direções de deslizamento arbitrárias. Além disso, o 2DW-WTNG foi aplicado para coletar energia mecânica com diferentes formas e trabalhou continuamente por 12 h com rendimento constante. O notável desempenho, flexibilidade, capacidade de manobra e robustez permitiram ao 2DW-WTNG coletar a energia mecânica do movimento do corpo humano e alimentar produtos eletrônicos de baixa potência. Mais importante ainda, este trabalho fornece um modelo projetado para a produção em massa de gerador vestível à base de fibra, o que promoverá enormemente o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos pessoais.

Disponibilidade de dados e materiais

Os dados e a análise no presente trabalho estão disponíveis com os autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

2DW-WTNG:: Nanogerador triboelétrico vestível tecido 2D
AC:: Corrente alternada
DC:: Corrente direta
LED:: Diodo emissor de luz
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
WTNG:: Nanogerador triboelétrico vestível

Propriedade Ótica Melhorada e Lasing de Nanofios de ZnO por Tratamento de Plasma Ar Número dos jatos de eletrofiação e morfologia da nanofibra afetada pelo valor da tensão:Simulação numérica e verificação experimental

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias