Plus de 60 groupes de recherche dans le monde développent actuellement des variantes du nanogénérateur triboélectrique (TENG), qui convertit l'énergie mécanique ambiante en électricité pour alimenter l'électronique portable, réseaux de capteurs, dispositifs médicaux implantables et autres petits systèmes.

Fournir un moyen à la fois de comparer et de sélectionner ces nanogénérateurs de récupération d'énergie pour des applications spécifiques, le groupe de recherche du Georgia Institute of Technology qui a été le pionnier de la technologie TENG a maintenant proposé un ensemble de normes pour quantifier les performances des appareils. La proposition évalue à la fois les performances structurelles et matérielles des quatre principaux types de dispositifs TENG.

"Les nanogénérateurs triboélectriques sont une nouvelle technologie énergétique qui a montré un potentiel phénoménal, " a déclaré Zhong Lin Wang, un professeur Regents à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Ici, nous avons proposé des normes permettant de quantifier et de comparer les performances de ces appareils. Ces normes seront utiles pour les chercheurs universitaires développant les dispositifs et pour les futures applications industrielles des nanogénérateurs. »

Les normes proposées sont décrites dans un article publié le 25 septembre dans la revue Communication Nature .

Les nanogénérateurs triboélectriques utilisent une combinaison de l'effet triboélectrique et de l'induction électrostatique pour générer une petite quantité d'énergie électrique à partir d'un mouvement mécanique tel que la rotation, glissement ou vibration. L'effet triboélectrique tire parti du fait que certains matériaux se chargent électriquement après avoir été en contact mobile avec une surface en un matériau différent. L'électricité générée par les appareils TENG pourrait remplacer ou compléter les batteries pour un large éventail d'applications potentielles.

Développé au cours des dernières années, la technologie a progressé au point où elle peut alimenter de petits appareils électroniques, permettant potentiellement des systèmes de détection et d'infrastructure à grande échelle - ainsi que l'alimentation d'appareils portables grand public.

"En raison du grand nombre d'appareils en cours de développement, les gens doivent avoir une norme pour juger les performances de ces nanogénérateurs, " a déclaré Wang. Il a noté que les normes ont permis à des technologies telles que les dispositifs photovoltaïques et thermoélectriques de progresser, bien que les performances des appareils TENG soient plus difficiles à quantifier en raison des différentes options de conception et de matériaux disponibles.

Dans leur papier, L'équipe de Wang propose une figure de mérite générale qui peut être utilisée pour quantifier la production d'énergie potentielle des dispositifs TENG. La figure de mérite générale est constituée d'informations provenant de deux autres sources :les capacités de la structure TENG spécifique utilisée, et la densité de charge de surface fournie par les matériaux spécifiques choisis pour construire le dispositif. La sortie est comparée aux entrées d'énergie mécanique pour fournir une comparaison d'efficacité.

Ces mesures sont basées sur des tracés de l'accumulation de tension et des charges électriques totales transférées de chaque appareil. Les chiffres structurels de mérite sont dérivés de calculs théoriques pour chacun des quatre principaux modes de nanogénérateur, ainsi que des résultats expérimentaux produits par des dispositifs TENG placés dans un circuit avec un interrupteur et une charge électrique. La figure de mérite des matériaux dépend des mesures expérimentales de la densité de charge de surface effectuées avec un dispositif expérimental qui utilise du métal liquide pour collecter la charge de surface.

Les variations des structures TENG permettent une variété d'applications en fonction de la source d'énergie mécanique. Les quatre grands groupes comprennent (1) le mode de séparation de contact vertical, (2) mode de glissement latéral, (3) mode monoélectronique, et (4) mode couche triboélectrique autonome. Il existe également des combinaisons hybrides de ces modes structuraux majeurs.

Le mode contact-séparation, par exemple, est alimenté par une force motrice périodique qui provoque des contacts répétés, puis séparation, entre deux matériaux différents qui ont des électrodes enrobées sur les surfaces supérieure et inférieure. Le modèle coulissant latéral utilise deux surfaces qui glissent brièvement ensemble, puis séparer, générer une charge.

"Nous pouvons calculer pour les quatre modes quelles sont les meilleures tailles et formes, et la meilleure puissance de sortie que vous pouvez attendre pour une figure de mérite structurelle spécifique, " expliqua Wang.

Les choix de matériaux testés comprennent l'éthylène propylène fluoré, Kapton, fluorure de polyvinylidène polarisé, polyéthylène, caoutchouc naturel et cellulose.

Les techniques de mesure et théoriques ont été développées par le boursier postdoctoral Yunlong Zi et l'étudiant diplômé Simiao Niu, les deux membres de l'équipe de recherche de Wang. En élaborant les normes qu'ils proposent, les chercheurs ont examiné ce qui avait déjà été fait pour établir des normes pour les moteurs thermiques et d'autres technologies.

"Pour les générateurs triboélectriques, parce que l'entrée mécanique est variée, vous disposez de différents types de mesures pour évaluer les performances, " a déclaré Zi. " Ces chiffres de mérite sont considérablement plus compliqués que ce qui serait nécessaire pour caractériser les performances des cellules solaires, par exemple."

La publication des normes proposées est une première étape dans ce que Wang s'attend à être un long processus d'acceptation. Il prévoit de passer les prochains mois à expliquer les normes à d'autres groupes de recherche développant des appareils TENG.

Il estime qu'il pourrait y avoir 60 groupes de recherche dans le monde travaillant sur les appareils TENG, et il s'attend à ce que ce nombre augmente à mesure que les nanogénérateurs deviennent plus sophistiqués et puissants.

« Alors que l'électronique portable devient de plus en plus populaire et à la mode, nous aurons besoin d'une meilleure façon de les alimenter, ", a déclaré Wang. "Les nanogénérateurs triboélectriques peuvent jouer un grand rôle à cet égard. Nous avons passé beaucoup de temps à améliorer l'efficacité énergétique, et le domaine s'étend rapidement."

Finalement, il a dit, les normes pourraient également être modifiées pour les générateurs piézoélectriques et autres systèmes conçus pour produire de l'électricité à partir d'un mouvement mécanique.