Ingenieurs ontwikkelen op gel gebaseerde rekbare tribo-elektrische nanogeneratoren voor draagbare technologie

Van smartwatches en fitnesstrackers tot medische sensoren die op het lichaam kunnen worden gedragen: wearables transformeren de manier waarop we omgaan met technologie. Naarmate hun populariteit groeit, bieden tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s) die mechanische energie zoals lichaamsbewegingen omzetten in elektrische energie een oplossing om deze apparaten van stroom te voorzien zonder afhankelijk te zijn van batterijen.

De meeste TENG’s die in draagbare toepassingen worden gebruikt, bevatten een tribo-elektrisch materiaal dat is bevestigd aan een elektrode die stroom geleidt. Een van de uitdagingen is echter het vinden van flexibele elektrodematerialen die naadloos met het menselijk lichaam kunnen bewegen.

Om deze uitdagingen aan te pakken, heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Jung Inn Sohn van de Dongguk Universiteit-Seoul in de Republiek Korea een op gelpolymeerelektroden gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator (GPE-TENG) ontwikkeld. Dit apparaat is rekbaar, semi-transparant en duurzaam, waardoor het geschikt is voor draagbare sensortoepassingen. Dit papier was gepubliceerd in de Tijdschrift voor chemische technologie op 1 november 2024.

“We rapporteren een in-situ uithardingsstrategie om een ​​rekbare, semi-transparante en duurzame GPE-TENG te ontwikkelen door middel van verbeterde grensvlakbinding tussen de ionische polymeergel en ecoflex-lagen”, legt prof. Sohn uit.

Om het apparaat te vervaardigen, goten de onderzoekers een gelmengsel van polyethyleenoxide (PEO) en lithiumbis(trifluormethaansulfonyl)imide (LiTFSI) in een ecoflex-mal. De gel wordt gelijkmatig verdeeld en vervolgens bedekt met een nieuwe ecoflex-laag. Er wordt een koperdraad aan de gel bevestigd voor de elektrische verbinding, en het gehele geheel wordt gedurende 12 uur uitgehard bij 70°C, waardoor de gel zich sterk kan hechten aan de ecoflex-lagen.

Het resultaat is een duurzaam, flexibel en semi-transparant apparaat dat elektrische signalen genereert wanneer erop wordt getikt of uitgerekt, en een piekvermogen levert van 0,36 W/m² bij een belasting van 15 MΩ. Bij tests werd het apparaat zonder schade tot 375% van zijn oorspronkelijke grootte uitgerekt en kon het twee maanden lang buigen, draaien, vouwen en strekken weerstaan ​​zonder enig teken van delaminatie of verlies van elektrische prestaties.

Naarmate draagbare technologie een groter deel van ons dagelijks leven gaat uitmaken, zou de voorgestelde GPE-TENG draagbare apparaten mogelijk kunnen maken die gezamenlijke activiteiten volgen voor revalidatiedoeleinden of kunnen fungeren als een biometrisch systeem in kleding, waardoor gebruikers slimme deuren of kluisjes kunnen ontgrendelen.

“Dit werk zou een revolutie teweeg kunnen brengen in draagbare technologie door duurzame en flexibele elektronische apparaten te ontwikkelen met veelbelovende toepassingen in de menselijke gezondheidszorg, revalidatie, beveiligingssystemen en veilige biometrische authenticatiesystemen”, zegt prof. Sohn.