Hoe elektronica van stroom te voorzien met behulp van mechanische beweging?

De drang naar energiezuinige apparaten met een laag vermogen is een richting die de elektronica-industrie altijd heeft gevolgd. De overstap naar energiezuinige LED-verlichting is een goed voorbeeld van deze trend. Een andere mogelijkheid is de ontwikkeling van zelfvoorzienende apparaten voor het oogsten van energie. Het idee hier is om materialen te gebruiken die piëzo-elektrische en tribo-elektrische effecten vertonen om mechanische energie om te zetten in elektrische energie. Piëzo-elektrische materialen genereren een elektrische lading wanneer ze mechanisch worden belast, terwijl het tribo-elektrische effect de opbouw van ladingen op twee ongelijke materialen is nadat ze met elkaar in contact zijn gekomen.

Piëzo-elektrische nanogeneratoren (PENG), tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG) en zelfs hybride piëzo-tribo-elektrische energieoogsters (HNG) met verbeterde mogelijkheden voor het oogsten van energie zijn ontwikkeld met het doel om elektronica met laag vermogen aan te drijven door eenvoudige beweging. Deze apparaten vereisen over het algemeen diëlektrische materialen die hun polarisatie behouden, en multiferroïsche materialen die ferromagnetische en ferromagnetische eigenschappen vertonen, zijn geschikt voor deze taak.

Nu in een recente studie gepubliceerd in Nano-energie, onderzoekers van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Korea en het Indian Institute of Technology, Guwahati, India, ontwikkelen een composietfilm die in combinatie met andere materialen kan worden gebruikt om generatoren voor het oogsten van energie te produceren. De composietfilm is ontwikkeld met behulp van een kosteneffectieve techniek waarbij een multiferroïsch materiaal, bismuttitanaat Bi₄Ti₃O₁₂ (of BiTO), werd toegevoegd aan een flexibel tribo-elektrisch polymeer (PDMS).

“Onze belangrijkste motivatie achter dit werk was om een ​​multiferroïsch materiaal bij kamertemperatuur te ontwikkelen met een hoge kolossale permittiviteit voor hybride piëzo-tribo-elektrische energieoogstmachines”, legt prof. Hoe Joon Kim van DGIST uit, die het onderzoek leidde. Door de BiTO-PDMS-film tussen aluminiumlagen te klemmen, fabriceerden de onderzoekers een HNG die een elektrische lading genereert wanneer erop gedrukt en losgelaten.

Maar hoe wekken deze meerdere lagen een stroom op? Het antwoord ligt in de eigenschappen van de film en zijn reactie op mechanische actie. De lagen fungeren als elektroden en terwijl het apparaat wordt ingedrukt en losgelaten, werken de piëzo-elektrische en tribo-elektrische aard van de film in synergie met elkaar om ladingen op de elektroden te genereren, waardoor een spanning ontstaat. Dit synergetische effect bleek de energieoogstprestaties te verbeteren. Door meerdere van deze HNG’s te gebruiken, construeerden de onderzoekers een HNG met meerdere eenheden die een polshorloge en een rekenmachine van stroom kon voorzien.

Opgewonden over het belang van de studie, zegt prof. Kim: “Voor de eerste keer is het eenfasige multiferroïsche materiaal bij kamertemperatuur met een kolossale diëlektrische constante bereikt. De interne polarisatieversterking van het polymeer werd verbeterd, waardoor de energiewinning werd gestimuleerd prestaties van de hybride energieoogstmachine.”

Naarmate er vooruitgang wordt geboekt om de energieopbrengst van nanogeneratoren te verbeteren, kunnen deze kleine apparaten op een dag batterijen in veel gevallen ongeldig maken, waardoor elektronica duurzamer en zelfvoorzienend wordt.