Двухмерный тканый трибоэлектрический наногенератор на основе волокна Core-Shell для эффективного сбора энергии движения

Введение

С быстрым развитием электронных технологий были изобретены различные портативные, носимые и даже имплантируемые персональные электронные устройства, чтобы сделать нашу повседневную жизнь лучше [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, 11]. Тем не менее, из-за присущих традиционным батареям ограничений, таких как ограниченная емкость, короткий срок службы, сложность технического обслуживания и опасность для окружающей среды [12,13,14], рост производства и широкое применение персональных электронных устройств вызывает острую потребность в новых источниках питания. [15,16,17,18,19]. Настоятельно необходимо разработать новые источники питания, которые позволят электронным устройствам работать стабильно и своевременно. Энергия движения тела от повседневной деятельности человека широко используется независимо от того, что вы делаете и где находитесь [20]. Если такая механическая энергия может быть эффективно собрана и преобразована в электричество, она может питать личные электронные устройства в любое время и в любом месте.

Трибоэлектрические наногенераторы как новый тип устройства для преобразования механической энергии в электричество [21,22,23,24] основаны на сочетании эффекта контактной электризации и электростатической индукции [25,26,27,28, 29,30]. Они были успешно продемонстрированы в качестве устойчивых источников питания для портативной электроники, датчиков, мониторов состояния окружающей среды и т. Д. [31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44] . Среди них носимый трибоэлектрический наногенератор (WTNG) был разработан для преобразования энергии движения тела человека в электричество [45,46,47]. Текущие WTNG можно разделить на две категории в зависимости от того, используется ли подложка. Большинство WTNG относятся к первой категории, и их электрод и фрикционный слой нанесены на гибкую подложку, такую ​​как текстильное волокно или кусок ткани [48,49,50,51,52,53]. Они обладают хорошей мягкостью, гибкостью, легкостью. Тем не менее, адгезия между нагруженным электродом и подложками плохая, что значительно снижает их долговечность и удобство использования, а также делает эти WTNG недоступными для длительного использования. Вторая категория WTNG не требует дополнительной подложки, и их строительные материалы используются непосредственно в качестве фрикционных слоев с электродами. WTNG на основе нейлоновой ткани и полиэфирной ткани умело избегает проблемы адгезии с подложкой [54]. Позже были разработаны разновидности WTNG с токопроводящей нитью из нержавеющей стали в качестве электрода и силиконовой резиной и PDMS в качестве материалов фрикционного слоя [55,56,57]. Однако эти WTNG либо не обладают долговременной надежностью, либо имеют довольно сложный процесс изготовления, который можно использовать в крупномасштабном производстве.

В этой работе мы изготовили новый вид двумерного тканого носимого трибоэлектрического наногенератора (2DW-WTNG), отличающегося надежностью и непрерывностью производственного процесса, который хорошо подходит для крупномасштабного производства. 2DW-WTNG размером 1,5 × 1,5 см ² генерировал выходное напряжение и выходной ток 6,35 В и 575 нА соответственно. Подключенный к внешней нагрузке 50 МОм, он генерирует максимальную удельную мощность 2,33 мВт / м ² . . После подключения к выпрямительному мосту 2DW-WTNG мгновенно запитал коммерческий светодиод (LED) без какого-либо процесса накопления энергии. Он также использовался для зарядки конденсатора 0,47 мФ от 0 В до 1,84 В за 1 мин. Кроме того, он показал хорошую чувствительность к внешним движениям вплоть до смещения 0,4 мм, хорошую адаптируемость для работы в произвольных направлениях в плоскости и в различных режимах работы, а также хорошую надежность для непрерывной работы в течение 12 часов без ухудшения характеристик.

Методы

Изготовление композитного проводящего волокна из нейлона / медного сердечника и оболочки и композитного проводящего волокна из полиэстера / стального сердечника и оболочки

Исходными материалами для композитного волокна нейлон / медь являются нейлоновая нить повседневного шитья (диаметром 110 мкм) и эмалированная медная проволока (диаметр 60 мкм). Исходными материалами для композитного волокна из полиэфира и стали являются полиэфирная нить повседневного шитья (диаметр 200 мкм) и стальная проволока (диаметр 60 мкм). Были приготовлены два вида композитных волокон полимер / металл с использованием самодельной вращающейся опоры, как показано на рис. 1. Для изготовления композитного волокна нейлон / медь сначала закрепляли эмалированную медную проволоку в середине вращающейся опоры, а затем - две. нейлоновые нити закреплялись на двух концах вращающейся опоры. Затем верх этих трех проводов был скреплен и подвешен. Наконец, начиная с вращающейся опоры, нейлоновые нити были намотаны и намотаны вокруг среднего медного провода, и было сформировано композитное волокно нейлон / медь со структурой сердцевина-оболочка (диаметром 380 мкм). Подготовка композитного волокна полиэфир / сталь была аналогична приготовлению композитного волокна нейлон / медь, в котором эмалированная медная проволока была заменена стальной проволокой, а нейлоновая нить была заменена полиэфирной нитью. Структура ядро-оболочка была достигнута с помощью стальной проволоки, плотно покрытой полиэфирной нитью (диаметром 385 мкм). Здесь были выбраны разные металлические провода, чтобы сбалансировать стабильность и производительность 2D-WTNG. По сравнению со сталью медная проволока была покрыта тонким изоляционным слоем, который использовался для предотвращения короткого замыкания во время рабочего процесса 2D-WTNG. Если в качестве стержневого электрода для обоих волокон была выбрана сталь, то после продолжительной работы может произойти трение и истирание, в результате чего может возникнуть короткое замыкание между положительным электродом и отрицательным электродом. Это снизит стабильность 2D-WTNG. Если бы в качестве сердечника для обоих волокон была выбрана медь, эффект электростатической индукции был бы ослаблен из-за изолирующего слоя на поверхности медного провода, что снизило бы производительность 2D-WTNG. Этот процесс подготовки композитного волокна полимер / металл имитирует модель скрученной нити, которая представляет собой простой инструмент для ручного скручивания нити. Используя этот метод, композитное волокно полимер / металл может быть запущено в массовое производство с использованием заводской крутильной машины.

Изготовление и структура 2DW-WTNG. а Принципиальная схема, иллюстрирующая процесс изготовления. СЭМ-изображения нейлоновой нити ( b ) и полиэфирной нитью ( c ), соответственно. Оптические изображения медной проволоки, покрытой нейлоновой нитью ( d ) и стальной проволоки с покрытием из полиэфирной нити ( e ), соответственно. е Оптические изображения 2DW-WTNG

Изготовление 2DW-WTNG

Подготовленное проводящее волокно из композита нейлон / медь и проводящее волокно из композита полиэстер / сталь интегрировали в ткань с помощью общей техники вязания. Девять композитных волокон нейлон / медь были соединены бок о бок в группу, а девять композитных волокон полиэфир / сталь были собраны вместе в группу. Две группы композитных волокон нейлон / медь и две группы композитных волокон полиэстер / сталь были связаны в WTNG с двухмерной тканой структурой. Верхняя и нижняя части 2DW-WTNG имеют размер 15 мм × 15 мм (состоящий из 36 композитных волокон) и 38 мм × 38 мм (состоящий из 90 композитных волокон), соответственно. Их ширина решетки составляла около 7 мм, как показано на рис. 1. Здесь ширина решетки определяется диаметром композитного волокна и количеством композитных волокон, используемых в одной группе; таким образом, ширину решетки можно удобно регулировать, увеличивая или уменьшая количество композитных волокон в одной группе. Этот тканый процесс может выполняться на ткацком станке на фабрике, когда требуется массовое производство.

Измерения 2DW-WTNG

2DW-WTNG с эффективным размером 15 мм × 15 мм и шириной решетки 7 мм испытывали путем периодического перемещения вперед и назад. При измерениях нижний 2DW-WTNG был закреплен на механической платформе, которая была плотно закреплена на экспериментальном столе, а верхний 2DW-WTNG был помещен поверх нижнего 2DW-WTNG и соединен с линейным двигателем. Приводимый в действие линейным двигателем с регулируемым перемещением и скоростью скольжения, верхний 2DW-WTNG совершает возвратно-поступательное линейное движение в диапазоне нижнего в направлении, параллельном поверхности устройства, что обеспечивает постоянную неизменность эффективной площади контакта. .

Результаты и обсуждение

Используя технологию скручивания в текстильном производстве, было изготовлено структурное композитное волокно сердцевина-оболочка с металлической проволокой в ​​качестве центрального электрода и швейными нитками в качестве внешних фрикционных слоев. 2DW-WTNG был дополнительно изготовлен путем плетения двух видов структурированных композитных волокон сердцевина-оболочка в процессе ортотропного плетения. На рисунке 1а показана структурная иллюстрация 2DW-WTNG с двумя одинаковыми частями. В каждой части 2DW-WTNG волокна из композита нейлон / медь, расположенные в одном направлении, собирались как один электрод, а волокна из композитного материала полиэфир / сталь, расположенные в другом направлении, собирались как другой электрод. Два вида композитных волокон были приготовлены с использованием самодельной вращающейся установки, работающей как заводская крутильная машина. Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), показанные на рис. 1а и в показывают внешний вид исходной нейлоновой нити диаметром 110 мкм и полиэфирной нити диаметром 200 мкм соответственно. Рисунки 1d и e представляют собой оптические изображения подготовленного композитного волокна нейлон / медь и композитного волокна полиэфир / сталь, соответственно, на которых можно отчетливо наблюдать структуру сердцевина-оболочка. На рисунке 1f показано оптическое изображение окончательного 2DW-WTNG, состоящего из четырех групп композитных волокон нейлон / медь и четырех групп композитных волокон полиэфир / сталь. Плетеная структура по длине и ширине напоминает кусок обычной ткани, а подробный процесс изготовления проиллюстрирован в разделе «Методы».

Изучены характеристики выработки электроэнергии 2DW-WTNG. Как показано на рис. 2а, верхняя и нижняя части 2DW-WTNG были закреплены лицом к лицу, а верхняя часть может скользить вправо и влево по нижней части. Как только произошло относительное скольжение между верхней и нижней частями, контактные поверхности трулись друг о друга. Поскольку полиэфир более трибоэлектрически отрицательный, чем нейлон, согласно трибоэлектрическому ряду, электроны инжектируются из нейлона в полиэстер, создавая положительные трибоэлектрические заряды на поверхности нейлона и отрицательные заряды на поверхности полиэстера. Когда верхняя часть скользила вправо, а контактная поверхность скользила в смещенное положение, как показано на этапе I, возникало чистое электрическое поле в результате нескомпенсированных трибоэлектрических зарядов в смещенных областях, отталкивая свободные электроны от электрода в полиэфире, перемещаясь к электроду в нейлона до тех пор, пока электрическое поле не будет экранировано индуцированными зарядами на электродах. Когда верхняя часть продолжала скользить вправо, контактная поверхность приходила в выровненное положение, и трибоэлектрические заряды противоположных знаков были полностью сбалансированы, что приводило к обратному потоку индуцированных свободных электронов (стадия II). Когда продолжалось скольжение вправо, контактная поверхность возвращалась в смещенное положение, и свободные электроны перемещались от электрода из полиэстера к электроду из нейлона, как показано на этапе III. Следовательно, цикл процесса выработки электроэнергии для 2DW-WTNG был завершен. Благодаря конструкции решетки с межфазной структурой между композитным волокном нейлон / медь и композитным волокном полиэстер / сталь, заряд поочередно переносится между двумя электродами во время этого процесса. Экспериментально исходная ситуация контакта зависит от того, как размещены верхняя часть и нижняя часть. Однако это не повлияет на вывод 2DW-WTNG. Благодаря той же структуре решетки, начальная ситуация контакта не влияет на значение выходного пика, но меняет направление выходного пика. Если исходная ситуация контакта положительная или положительная, ситуация контакта сначала перейдет в положительную на отрицательную, а затем из положительной на положительную с положительным выходным пиком, за которым следует отрицательный выходной пик. Напротив, если исходная ситуация контакта положительная или отрицательная, ситуация контакта сначала перейдет в положительную на положительную, а затем из положительной на отрицательную с отрицательным выходным пиком, за которым следует положительный выходной пик.

Энергетические характеристики 2DW-WTNG. а Общий процесс механизма выработки электроэнергии. б Выходной ток и c выходное напряжение 2DW-WTNG. Вставки в b и c являются увеличенными изображениями выходного тока и выходного напряжения. г Ток (сплошной кружок) и плотность мощности (незакрашенный кружок) 2DW-WTNG с разными нагрузочными сопротивлениями

2DW-WTNG размером 15 мм × 15 мм и шириной решетки 7 мм испытывали путем периодического движения вперед и назад. Подробный метод измерения проиллюстрирован в разделе «Методы». При сдвиге скольжения 8 мм и скорости скольжения 0,15 м / с 2DW-WTNG выдавал на выходе непрерывный переменный ток (AC) с максимальной амплитудой 575 нА при постоянной частоте 2,7 Гц (рис. 2b). Выходное напряжение достигало 6,3 В при той же частоте, что и выходной ток (рис. 2в). Увеличенный вид выходного тока и выходного напряжения за один рабочий цикл вставлен на рис. 2б и в соответственно. В одном рабочем цикле есть два волновых пакета, один из которых представляет одностороннее скольжение вправо, а другой - одностороннее скольжение влево. И в каждом волновом пакете есть два положительных импульса и два отрицательных импульса. Этот результат соответствует структуре устройства, содержащего четыре группы композитных волокон нейлон / медь и четыре группы композитных волокон полиэфир / сталь, как показано на рис. 1f, который дополнительно подтверждает, что выход в скользящем режиме тесно связан с решеткой. ширина и номер решетки в устройстве.

В качестве источника питания 2DW-WTNG необходимо подключать к внешним нагрузкам. Резисторы использовались для исследования зависимости выходной электрической мощности от внешней нагрузки. На рис. 2d показаны мгновенный ток и мгновенная плотность выходной мощности в зависимости от сопротивления внешней нагрузки. Мгновенная плотность выходной мощности рассчитывалась как отношение мгновенной выходной мощности ( I ² R ) и площадь устройства. Было обнаружено, что мгновенный ток падает с увеличением сопротивления нагрузки из-за омических потерь. Мгновенная плотность выходной мощности увеличивалась при малых сопротивлениях и достигла максимального значения 2,33 мВт / м ² . при сопротивлении нагрузки 50 МОм, а затем уменьшилось при более высоком сопротивлении. Этот результат указывает на потенциал 2DW-WTNG в качестве источника питания для некоторых персональных электронных устройств, особенно для тех, у которых сопротивление нагрузки составляет порядка десятков МОм.

Выходные характеристики 2DW-WTNG в режиме скользящего привода в значительной степени зависят от скорости разделения трибоэлектрического заряда. Для более глубокого изучения этого вопроса выходные характеристики 2DW-WTNG с размером 15 мм × 15 мм и шириной решетки 7 мм характеризовались периодическим перемещением с различными относительными скоростями скольжения с заданным смещением скольжения 8 мм. На рисунках 3a и b показаны выходной ток и выходное напряжение 2DW-WTNG при средней скорости скольжения 0,025 м / с, 0,050 м / с, 0,075 м / с, 0,100 м / с и 0,125 м / с соответственно. На кривой тока и кривой напряжения имеется полный выходной пик за 320 мс при перемещении в одном направлении и другой пик на выходе за 320 мс, перемещающийся в обратном направлении со скоростью скольжения 0,025 м / с. В течение того же рабочего времени увеличение скорости привело к увеличению числа выходных пиков с единицы при 0,025 м / с до пяти при 0,125 м / с. Это произошло потому, что более высокая скорость скольжения сократила время, необходимое для одного рабочего цикла, и дополнительно увеличила количество рабочих циклов за то же рабочее время. Пиковое значение тока было увеличено с 101 нА при 0,025 м / с до 415 нА при 0,125 м / с, что означало, что увеличение скорости скольжения могло эффективно увеличить скорость разделения трибоэлектрического заряда и привести к большому пиковому значению выходного сигнала. . Пиковое значение напряжения было увеличено с 3,6 В при 0,025 м / с до 6,6 В при 0,125 м / с, что было результатом измерительной электрической схемы. Входные сопротивления схемы измерения напряжения и 2DW-WTNG образовывали RC-электрическую цепь, а ток утечки на 2DW-WTNG уменьшался при увеличении скорости скольжения, что приводило к непрерывному увеличению пикового значения выходного напряжения. Эти результаты ясно демонстрируют, что пиковое значение выходной мощности было тесно связано со скоростью скольжения. Помимо скорости скольжения, перемещение при скольжении является еще одним фактором, который в значительной степени повлиял на производительность 2DW-WTNG. Учитывая, что большая часть механической энергии в движении человеческого тела исходит от движений небольшой амплитуды, поэтому необходимо собирать слабую механическую энергию. Чтобы изучить этот аспект, 2DW-WTNG был протестирован при работе со сдвигом скольжения 0,4 мм, 0,8 мм, 1,2 мм, 1,6 мм и 2,0 мм с фиксированной скоростью скольжения 0,1 м / с. Выходной ток и напряжение показаны на рис. 3c и d. Его пиковое значение на выходе увеличивалось при скользящем перемещении. При кратчайшем смещении 0,4 мм пиковое значение выходного сигнала достигло 2,3 нА и 0,05 В соответственно, демонстрируя способность поглощать механическую энергию от небольшого движения. По механизму работы 2DW-WTNG в горизонтально-скользящем режиме происходил попеременный перенос заряда при скольжении по одной решетке. Таким образом, перспективно дальнейшее улучшение производительности 2DW-WTNG в режиме скольжения за счет уменьшения ширины или диаметра тканых лент или тканых волокон в меньшем масштабе.

Характеристики выработки электроэнергии 2DW-WTNG при различных относительных скоростях скольжения и относительных перемещениях скольжения. а Выходной ток и b выходное напряжение 2DW-WTNG изменялось со скоростями скольжения 0,025 м / с, 0,050 м / с, 0,075 м / с, 0,100 м / с и 0,125 м / с при заданном смещении скольжения 8 мм. c Выходной ток и d выходное напряжение 2DW-WTNG изменялось со сдвигом скольжения 0,4 мм, 0,8 мм, 1,2 мм, 1,6 мм и 2,0 мм при заданной скорости скольжения 0,100 м / с

Учитывая сложность человеческой деятельности, энергия движения тела может поступать с разных сторон. Следовательно, квалифицированный WTNG должен уметь собирать энергию от движений тела в разных направлениях. Другими словами, ожидается, что WTNG, работающий в режиме плоского скольжения, будет работать по произвольным направлениям скольжения. Как показано на Рис. 4a, две части 2DW-WTNG были размещены лицом к лицу, и верхняя часть могла скользить по нижней части вдоль X -ось. Сохраняя направление движения, вращая верхнюю часть, получился угол ( θ ) между направлением скольжения и одной стороной верхней части. Здесь θ по сути, представляет собой относительную рабочую ориентацию между верхней и нижней частью 2DW-WTNG, которая требует, чтобы 2DW-WTNG мог работать с разными относительными рабочими ориентациями. Чтобы прояснить это, 2DW-WTNG был протестирован при наборе θ значения (0 °, 10 °, 20 °, 30 °, 40 ° и 50 °) приводятся в движение линейным двигателем со скоростью скольжения 0,10 м / с и перемещением скольжения 10 мм. Его выходной ток и выходное напряжение при различных θ показаны на рис. 4b и c. Устройство генерировало выходной ток 134,45 нА и выходное напряжение 2,23 В соответственно при относительной рабочей ориентации 50 °. Между тем, из-за симметрии в плоскости выходной ток и выходное напряжение при 40 ° были очень близки к таковым при 50 °. Хотя выходной ток и выходное напряжение немного уменьшились как θ увеличивается в результате уменьшения эффективной площади трения, вызванного несовпадением решеток между верхней и нижней частью 2DW-WTNG, эти экспериментальные результаты убедительно подтверждают, что 2DW-WTNG может нормально работать при различных рабочих ориентациях. Благодаря использованию цилиндрического композитного волокна его гладкая поверхность сделала скольжение непрерывным и неподвижным, а не качающееся скольжение в узких решетках с явно приподнятым краем, созданным литографическим процессом. Точно так же, если внешнее движение в произвольном направлении в плоскости было применено к верхней части 2DW-WTNG, оно скользило по направлению движения и терлось о нижнюю часть, и, таким образом, энергия движения могла быть собрана и преобразована в электричество. .

Возможность адаптации 2DW-WTNG к произвольным плоскостным направлениям. а Принципиальная схема работы 2DW-WTNG при разной взаимной ориентации. б Выходной ток и c выходное напряжение 2DW-WTNG при разной взаимной ориентации

Поскольку 2DW-WTNG является сборщиком энергии, выходной сигнал должен быть достаточно высоким для питания некоторых электронных устройств. Как показано на рис. 5а, 2DW-WTNG был подключен к мостовому выпрямителю, а затем к двум параллельным цепям. С помощью мостового выпрямителя выход переменного тока 2DW-WTNG был преобразован в выход постоянного тока (DC). Выпрямленный сигнал постоянного тока показан на рис. 5b. При подключении мостового выпрямителя к первой ответвленной цепи выпрямленный сигнал постоянного тока напрямую использовался для зажигания красного светодиода, как показано на вставке и в Дополнительном файле 1:Видео S1. Когда мостовой выпрямитель был подключен ко второй ответвленной цепи, электричество от 2DW-WTNG заряжало промышленный конденсатор 0,47 мкФ. Кривая зарядки показана на рис. 5c, а соответствующая ей величина заряда, накопленная в конденсаторе, показана на вставке. Конденсатор был заряжен до 1,84 В за 1 мин, и соответствующая плотность заряда достигла 3,84 мКл / м ² . . Эти два испытания показали, что 2DW-WTNG в качестве сборщика энергии может не только использоваться в качестве удобного аварийного источника питания, но также может подавать энергию в аккумуляторную батарею. Кроме того, стабильность 2DW-WTNG является важным фактором для обеспечения его практического применения. Здесь стабильность 2DW-WTNG была проверена путем непрерывной работы в течение 12 часов при скорости скольжения 0,1 м / с и перемещении скольжения 8 мм. Кривые тока через 10 с для каждого часа показаны на рис. 5d, и небольшое изменение можно обнаружить в значении выходного тока после 12-часовой непрерывной работы, что свидетельствует о высокой стабильности выработки электроэнергии. Кроме того, чтобы продемонстрировать универсальность 2DW-WTNG в поглощении энергии в различных типах, на 2DW-WTNG была проведена группа электрических измерений. Как показано на вставке на рис. 5e, эффективное трение возникает, когда верхняя часть 2DW-WTNG сначала контактирует в вертикальном направлении с нижней частью 2DW-WTNG (процесс I), а затем горизонтально скользит по нижней части 2DW-WTNG. (процесс II). Во время измерения операция контактирования-скольжения-разделения повторялась несколько раз, и ее выходной ток показан на рис. 5д. Для первого процесса трения с вертикальным контактом был высокий, но узкий пик выходной мощности, а затем для последующего процесса трения с горизонтальным скольжением был низкий, но широкий пик. В последнем процессе вертикального разделения для следующего цикла измерения должен появиться высокий, но узкий пик выходной мощности, но он отсутствовал. Это можно объяснить двумя причинами. Во-первых, верхняя часть 2DW-WTNG выскользнула из противоположной нижней части 2DW-WTNG, и электрический потенциал был почти уравновешен. Во-вторых, последний процесс вертикального разделения был довольно медленным, поэтому электрический потенциал быстро достиг равновесия в воздухе. Синтетический анализ подтвердил, что эти два вида пиков выходного тока соответствуют характеристикам двух рабочих режимов 2DW-WTNG, демонстрируя его высокую адаптируемость к поглощению энергии от вертикального положительного давления и горизонтальной тангенциальной силы в движениях человеческого тела.

Применение 2DW-WTNG. а Схема выпрямления с двумя ответвлениями на выходной клемме. б Выпрямленный выходной токовый сигнал. На вставке - оптическое изображение красного светодиода, питаемого от сигнала выпрямленного тока. c Кривая зарядки промышленного конденсатора 0,47 мкФ, заряжаемого выпрямленным током. Вставка - это соответствующие выходные заряды, хранящиеся в конденсаторе. г Выходной ток 2ДВ-ВТНГ при непрерывной работе 12 ч. е Выходной ток 2DW-WTNG, работающего в двух различных рабочих режимах, демонстрирует универсальность 2DW-WTNG в поглощении энергии движения человеческого тела. Рабочий процесс показан на вставке

Дополнительный файл 1: Video S1. Видео моментального включения красного светодиода. (AVI 1334 кб)

Выводы

Таким образом, новый WTNG с двумерной тканой структурой в качестве носимого источника питания был разработан с помощью легко масштабируемого подхода. Этот 2DW-WTNG продемонстрировал хорошую способность преобразовывать механическую энергию в электричество и генерировал плотность тока до 2,73 мА / м ² . Он может мгновенно запитать коммерческий красный светодиод без необходимости в процессе накопления энергии. Его также можно использовать для зарядки конденсатора 0,47 мкФ до 1,84 В за 1 мин, а плотность заряда достигает 3,84 мКл / м ² через 1 мин. Благодаря прочности структурированного волокна ядро-оболочка и тканой структуры 2DW-WTNG может работать в произвольных направлениях скольжения. Кроме того, 2DW-WTNG применялся для сбора механической энергии в различных формах и работал непрерывно в течение 12 часов с постоянной производительностью. Замечательные характеристики, гибкость, маневренность и надежность позволили 2DW-WTNG использовать механическую энергию движения человеческого тела и питать маломощные электронные устройства. Что наиболее важно, эта работа обеспечивает разработанную модель для массового производства носимых генераторов на оптоволоконной основе, что в значительной степени будет способствовать развитию персональных электронных устройств.

Доступность данных и материалов

Данные и анализ в текущей работе доступны у соответствующих авторов по разумному запросу.

Сокращения

2DW-WTNG:

2D тканый носимый трибоэлектрический наногенератор

AC:

Переменный ток

DC:

Постоянный ток

Светодиод:

Светодиод

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

WTNG:

Носимый трибоэлектрический наногенератор