Двумерный тканый сердечно-оболочечный волоконный трибоэлектрический наногенератор преобразует движения тела в 6 В, 575 нА, питая светодиоды и конденсаторы

Аннотация

Носимая электроника требует компактных автономных источников питания, способных утилизировать окружающую кинетическую энергию. Представлен двумерный тканый трибоэлектрический наногенератор (2DW‑WTNG) из сердечно-оболочечных волокон, преобразующий человеческие движения в электричество. Устройство выдает пиковое напряжение 6,35 В и пиковый ток 575 нА, соответствующую плотность мощности 2,33 мВт м⁻² на нагрузке 50 МОм. Особенно, оно генерирует заряд при смещениях всего 0,4 мм и работает непрерывно 12 ч без потери производительности.

Введение

Портативные, носимые и имплантируемые устройства широко распространились, однако обычные батареи неудовлетворительны по емкости, сроку службы и экологическому воздействию. Утилизация механической энергии, присущей повседневной человеческой активности, предлагает устойчивую альтернативу. Трибоэлектрические наногенераторы (TENG) преобразуют контактно-индуцированное разделение зарядов и электростатическую индукцию в полезную электричество. Существует множество конструкций TENG, но многие полагаются на хрупкие подложки, ухудшающие долговечность. Наш 2DW‑WTNG устраняет это ограничение, интегрируя сердечно-оболочечные проводящие волокна непосредственно в тканую ткань, обеспечивая надежное, масштабируемое производство.

Методы

Фабрикация сердечно-оболочечных композитных волокон

Мы соединили швейные нейлоновые нити (110 мкм) с эмалированными медными проводами (60 мкм) и швейные полиэстеровые нити (200 мкм) со стальными проводами (60 мкм) с помощью вращающейся опоры, имитирующей ручное скручивание. Этот процесс дает нейлон/медь волокна диаметром 380 мкм и полиэстер/сталь — 385 мкм, каждое с металлическим сердечником, окруженным полимерной оболочкой. Медное сердечко изолировано для предотвращения короткого замыкания, стальное — обеспечивает механическую прочность.

Ткачество 2DW‑WTNG

Четыре группы нейлон/меди и четыре группы полиэстер/стали были сплетены ортогонально, образуя активную область 15 × 15 мм с шириной решетки 7 мм. Полученная ткань напоминает обычный текстиль, что делает её совместимой с промышленными ткацкими станками для массового производства.

Электрическая характеристика

Устройство актуализировалось линейным двигателем, движущим верхний слой относительно нижнего во взаимном скользящем движении. Выходной ток и напряжение регистрировали при различных скоростях скольжения, смещениях и относительных ориентациях.

Результаты и обсуждение

Скользящий контакт между нейлоном (трибоэлектрически положительным) и полиэстером (трибоэлектрически отрицательным) генерирует чередующийся зарядовый перенос, направляя электроны между двумя электродными слоями. Пиковые выходы 575 нА и 6,3 В достигнуты при смещении 8 мм и скорости 0,15 м с⁻¹. Плотность мощности пиковала на 2,33 мВт м⁻² при подключении к резистору 50 МОм.

Увеличение скорости скольжения повышало пиковые значения: при 0,125 м с⁻¹ ток поднимался до 415 нА, напряжение — до 6,6 В. Меньшие смещения до 0,4 мм все еще давали измеримые выходы (2,3 нА, 0,05 В), демонстрируя чувствительность к минимальным человеческим движениям.

Устройство сохраняло производительность при различных в-плоскостных ориентациях, выдавая 134 нА и 2,23 В при относительном угле 50°, подтверждая адаптивность к произвольным движениям тела.

При подключении к диодному мосту 2DW‑WTNG мгновенно запитал красный светодиод и зарядил конденсатор 0,47 мкФ до 1,84 В за 1 мин, накопив 3,84 мКл м⁻². Непрерывная работа 12 ч не показала деградации, подчеркивая механическую стойкость.

Заключение

2DW‑WTNG демонстрирует масштабируемую, долговечную платформу для сбора энергии движений тела. Его архитектура сердечно-оболочечных волокон и тканый дизайн обеспечивают высокое напряжение, достаточный ток для низкоэнергопотребляющей электроники и надежную работу при различных направлениях движения. Эта технология проложит путь к по-настоящему автономным носимым устройствам.