Les scientifiques ont consacré un travail intense ces dernières années à la conversion de l'énergie environnementale en électricité afin de répondre aux demandes actuelles d'une source d'énergie plus propre et plus durable. La récolte d'énergie mécanique environnementale en tant que méthode respectueuse de l'environnement est une solution prometteuse et joue un rôle important dans la construction d'électronique portable et de réseaux de capteurs dans l'Internet des objets (IoT). Un nanogénérateur triboélectrique (TENG) est un solution réalisable pour convertir l'énergie mécanique en électricité et répondre spécifiquement à la demande croissante de l'Internet des objets (IoT).

Dans le travail present, Di Liu et ses collègues des départements de nanoénergie et nanosystèmes, Science et génie des matériaux, et les nanosciences et technologies en Chine et aux États-Unis, a développé un TENG de nouvelle génération pour obtenir une sortie de courant constante en couplant l'effet de triboélectrification et le claquage électrostatique. Ils ont obtenu une densité de charge triboélectrique (430 µC m ^-2 ), beaucoup plus élevés que ceux avec le TENG conventionnel - qui étaient limités par la panne électrostatique. Les résultats de l'étude sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques, promouvoir la miniaturisation des systèmes auto-alimentés à utiliser dans les IoT et fournir une technique de changement de paradigme pour récolter l'énergie mécanique.

Des modules d'alimentation légers et portables avec des performances de stockage d'énergie élevées sont souhaitables pour la technologie portable en science des matériaux. Ils peuvent être réalisés classiquement en intégrant directement un dispositif de stockage d'énergie rechargeable, c'est-à-dire une batterie ou un supercondensateur dans des tissus. La récupération d'énergie mécanique a attiré beaucoup d'attention comme explorée par les techniques des générateurs électromagnétiques (EMG), nanogénérateurs piézoélectriques (PENG) et nanogénérateurs triboélectriques (TENG).

Alors que les EMG sont basés sur la loi d'induction électromagnétique de Faraday, adapté à la production d'électricité à grande échelle, Les PENG peuvent convertir de minuscules déformations physiques en électricité de manière autonome, appareils à petite échelle. Les TENG conventionnels se sont avérés rentables, caractéristiques propres et durables, sur la base d'effets triboélectriques et d'induction électrostatique pour convertir l'énergie en électricité. Les TENG offrent également des poids légers, petite taille, un large choix de matériaux et un rendement élevé même dans les basses fréquences.

Les TENG conventionnels sont retenus en raison des exigences d'un redresseur (correcteur), tel qu'un pont redresseur rotatif pour générer une sortie CC, ce qui limite sa portabilité. En outre, Les TENG alimentés en courant alternatif nécessitent un blindage électromagnétique via l'intégration de capteurs, ce qui peut réduire le degré de son logement dans un dispositif miniaturisé. La sortie pulsée peut donner lieu à un facteur de crête très élevé, qui est une mesure clé de l'instabilité de sortie influençant les performances du stockage d'énergie et de l'électronique, où une entrée constante est préférée. Alors qu'une sortie continue constante a été réalisée très récemment en utilisant la technique de nanocontact glissant de Schottky, la tension de sortie était trop faible pour piloter directement l'électronique. Dans le travail present, Liu et al. donc inventé DC-TENG, pour résoudre ces problèmes et générer un courant continu constant en couplant directement l'effet de triboélectrification et le claquage électrostatique en tant que technique de changement de paradigme.

Le principe de fonctionnement du DC-TENG reposait sur la triboélectrification ou transfert de charge entre deux surfaces en contact en milieu ambiant, ressemblant au même principe naturel derrière l'effet ambré et la foudre. Pour ça, Liu et al. foudre artificielle induite avec une électrode collectrice de charges (CCE), électrode de friction (FE) et couche triboélectrique dans la configuration DC-TENG de nouvelle génération. Dans l'expérience, les scientifiques ont utilisé des électrodes de cuivre pour le CCE et le FE, et un film de polytétrafluoroéthylène (PTFE) attaché à une feuille acrylique en tant que couche triboélectrique.

Sur la base de l'alignement initial entre les électrodes et le film PTFE, Liu et al. généré une charge électrique quasi-permanente sur le film de PTFE. Ils ont déplacé un curseur dans le support pour créer un champ électrostatique très élevé entre le CCE et le film de PTFE chargé négativement. Lorsque le champ électrostatique dépasse la rigidité diélectrique entre eux à une valeur approximative de 3 kV/mm, l'air à proximité est devenu partiellement ionisé pour commencer à conduire. Cette technique a entraîné le flux d'électrons du PTFE vers le CCE dans l'expérience pour induire rationnellement une ventilation de l'air et créer un éclair artificiel.

Contrairement aux TENG conventionnels qui n'exploitaient pas l'énergie de la ventilation de l'air, Liu et al. utilisé le CCE pour percevoir efficacement ces frais. En bref, dans leur dispositif expérimental, les électrons sur le FE transférés au PTFE par triboélectrification, puis transporté vers le CCE par claquage électrostatique et finalement vers le FE via un circuit externe. Lorsque le curseur est revenu à son état initial dans l'expérience, il n'y avait pas de circulation de courant dans le circuit externe en raison de l'absence de différence de potentiel entre les films CCE et PTFE.

De cette façon, les scientifiques ont produit un courant continu cyclique en déplaçant périodiquement le curseur, ils ont mesuré le courant continu résultant du claquage diélectrique unidirectionnel du condensateur pour produire un courant de conduction continu. Liu et al. ont montré que la quantité de charge récoltée par le DC-TENG par claquage diélectrique était supérieure à celle récoltée par le TENG conventionnel utilisant l'induction électrostatique et visait à utiliser ce nouveau paradigme comme prototype pour récolter l'énergie de la foudre. Ils ont l'intention d'étudier le mécanisme détaillé du processus et de former un modèle théorique précis à l'avenir.

Dans la présente étude, Liu et al. conçu deux modes de DC-TENG :un mode coulissant et un mode rotatif. Pour mettre en œuvre le processus de glissement, les scientifiques ont utilisé un moteur linéaire et un moteur commercial pour entraîner le processus rotatif. Ils ont utilisé des images de microscopie électronique à balayage (MEB) pour visualiser les électrodes à nanofils (CCE et FE) sur la surface du PTFE. Lorsqu'ils ont déplacé la glissière le long de la couche électrifiée, les scientifiques ont capturé le phénomène de décharge corona sous la forme d'une lueur verte pendant la ventilation de l'air entre le PTFE et le CCE comme preuve solide de la ventilation de l'air pendant le fonctionnement de l'appareil.

Ils ont mesuré le potentiel de surface du PTFE pour montrer une décharge de charge électrostatique par claquage électrostatique à l'aide d'un voltmètre électrostatique Isoprobe, suivi de la mesure du courant de court-circuit et des charges transférées du DC-TENG, à l'aide d'un électromètre programmable. Pour mesurer la tension à vide du mode glissant DC-TENG, ils ont utilisé un oscilloscope à domaine mixte—tous les résultats présentaient les caractéristiques d'une bonne sortie CC.

Liu et al. a montré que la densité de charge initiale du DC-TENG était plus élevée (330 µC m ^-2 ) que le TENG conventionnel (~ 70 µC m ^-2 ). Pour augmenter la densité de charge, les scientifiques ont introduit des nanostructures sur les surfaces en PTFE à l'aide de procédés plasma couplés par induction pour modifier le matériau et obtenir une amélioration de la densité de charge de six fois à 430 µC m ^-2 . Les travaux ont montré que les performances de sortie du système pouvaient être améliorées par une simple optimisation structurelle de la surface du film PTFE. Lorsque Liu et al. mesuré le courant de sortie à long terme du DC-TENG après 3000 cycles, le courant de sortie continu est resté presque stable, confirmant une excellente stabilité de la configuration.

En parallèle, les scientifiques ont également mesuré les performances de sortie du mode rotatif DC-TENG. La structure de l'installation contenait un stator et un rotateur, et tout comme le mode glissant DC-TENG, les Fes et les CCE étaient connectés. Comme avant, les scientifiques ont effectué des mesures pour montrer comment la production d'électricité reposait sur la rotation relative entre le rotateur et le stator pour de meilleures performances par rapport au DC-TENG conventionnel.

En raison de leur génération continue de sortie CC, Liu et al. ont démontré les applications de nouveaux DC-TENG pour piloter des appareils électroniques sans utiliser de redresseur. Pour la fonctionnalisation de l'appareil, les DC-TENG autoalimentés étaient capables de piloter l'électronique directement en convertissant l'énergie mécanique. Comme preuve de principe, les scientifiques ont formé une montre électronique pilotée directement par un DC-TENG à mode glissant et une calculatrice scientifique pilotée par un DC-TENG rotatif. En outre, ils ont formé un réseau d'ampoules à diodes électroluminescentes (DEL), qui pourrait être éclairé par le mode rotatif de DC-TENG, et contrairement à la LED pilotée via TENG conventionnel, ces lumières LED sont restées sans scintillement à une luminescence constante.

De cette façon, Liu et al. a réussi à convertir l'énergie mécanique en courant de sortie constant en concevant des DC-TENG de nouvelle génération basés sur l'effet couplé de la triboélectrification et du claquage électrostatique. Ils ont utilisé un mode coulissant DC-TENG et un mode rotatif DC-TENG pour démontrer le mécanisme, résultant en une valeur de densité de charge beaucoup plus élevée (430 µC m ^-2 ) que celui de l'appareil conventionnel. Le facteur de crête du TENG rotatif était proche de un, indiquant une sortie de courant constant.

Le nouveau DC-TENG est une stratégie efficace pour récupérer l'énergie mécanique et l'électronique de puissance ou charger une unité de stockage d'énergie directement sans redresseur. Le changement de paradigme dans la conversion de l'énergie mécanique en électricité peut également favoriser la miniaturisation des systèmes autoalimentés dans l'électronique portable et les réseaux de capteurs dans les IoT. Liu et al. envisagez en outre l'appareil comme un prototype pour récolter l'énergie de la foudre à l'avenir.

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