Slim textiel: hoogwaardige, ademende stof om kleine elektronica van stroom te voorzien

Het tribo-elektrisch effect is een fenomeen waarbij een lading wordt gegenereerd op twee ongelijke materialen wanneer de materialen uit elkaar worden bewogen nadat ze met elkaar in contact zijn geweest. Tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s) gebruiken dit effect om mechanische beweging om te zetten in elektrische energie. Door de compactheid van TENG’s kunnen ze worden gebruikt als draagbare apparaten die de beweging van het lichaam kunnen benutten om elektronica aan te drijven. Omdat het wearables zijn, ligt de nadruk op de stofeigenschappen (zoals het comfort van het materiaal) en het laadvermogen van de nanogeneratoren. Over het algemeen moeten de tribo-elektrische materialen die voor de nanogenerator worden gekozen, veilig, compatibel met het menselijk lichaam (biocompatibel), flexibel en ademend zijn, terwijl ze een hoog elektrisch uitgangsvermogen moeten kunnen behouden.

Van de vele materialen die in aanmerking komen voor TENG’s, zijn elektrospunvezels een veelbelovende kandidaat omdat ze lichtgewicht en sterk zijn en gewenste elektrische eigenschappen hebben. Electrospinning is een techniek waarbij oplossingen van polymeren met behulp van elektrische lading in vezels worden getrokken. Er zijn voortdurende inspanningen om metalen toe te voegen aan elektrospun vezels om de elektrostatische potentiaal en het vermogen om lading vast te houden te verbeteren. Maar dit heeft ertoe geleid dat er compromissen zijn gesloten tussen het comfort en de uitvoerprestaties van het materiaal.

In een recente studie gepubliceerd in Nano-energie, hebben onderzoekers van de Universiteit van Fukui, Japan en Nanjing University, China een volledig vezelige composietlaag TENG (AF-TENG) ontwikkeld die gemakkelijk kan worden geïntegreerd met normale stof. “Met ons werk willen we een nieuwe kijk bieden op draagbare energie-oogstmachines en slim textiel”, zegt Dr. Hiroaki Sakamoto, de corresponderende auteur van het onderzoek.

De AF-TENG bevat een tribo-elektrisch membraan gemaakt van twee lagen elektrospun vezels: een van een materiaal genaamd polyvinylideenfluoride (PVDF) en de andere van een soort nylon. Zilveren nanodraden bedekken deze lagen. De onderzoekers voegden tussen de zilveren nanodraden en het tribo-elektrische membraan nog een laag electrospun polystyreenvezels toe.

De mechanische beweging van het lichaam tijdens het lopen of rennen zorgt ervoor dat de tribo-elektrische lagen een lading krijgen. Op deze manier wordt de mechanische energie omgezet in elektrische energie, die kan worden gebruikt om elektronische apparaten van stroom te voorzien.

Normaal gesproken gaat de ladingsopbouw op het tribo-elektrische oppervlak geleidelijk verloren of gedissipeerd, waardoor de oppervlakteladingsdichtheid en de outputprestaties van de nanogenerator afnemen. In dit geval verzamelt en vangt het toegevoegde polystyreenmembraan de lading echter op, waardoor de oppervlakteladingsdichtheid van de AF-TENG behouden blijft. De onderzoekers gebruikten de AF-TENG om 126 commerciële LED’s te verlichten met elk een vermogen van 0,06 Watt, wat de haalbaarheid van de nanogenerator aantoont. Bovendien, volgens Dr. Sakamoto: “Het apparaat voor energieopwekking is flexibel en ademend omdat alle componenten zijn samengesteld uit vezelmaterialen. Dit apparaat vertoont een groot potentieel in het oogsten van de statische elektriciteit uit onze kleding.”

Hoewel TENG’s momenteel beperkt zijn tot het voeden van apparaten met een laag vermogen, zoals LED’s en rekenmachines, zijn verbeteringen aan de draagbaarheid en uitvoerprestaties integrale stappen in de richting van toekomstige draagbare technologie.