Nanogénérateur triboélectrique tissé 2D à base de fibres Core-Shell pour une récupération efficace de l'énergie de mouvement

Introduction

Avec le développement rapide de la technologie électronique, divers appareils électroniques personnels portables, portables et même implantables ont été inventés pour améliorer notre vie quotidienne [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, 11]. Néanmoins, en raison des limitations inhérentes aux batteries traditionnelles, telles que la capacité limitée, la courte durée de vie, les difficultés de maintenance et les risques environnementaux [12,13,14], la production accrue et la large application des appareils électroniques personnels font des demandes pressantes pour une nouvelle alimentation électrique. [15,16,17,18,19]. Il est urgent de développer de nouvelles sources d'énergie qui permettent aux appareils électroniques de fonctionner de manière durable et rapide. L'énergie du mouvement du corps provenant des activités quotidiennes humaines existe largement, peu importe ce que vous faites et où que vous soyez [20]. Si une telle énergie mécanique peut être efficacement récupérée et convertie en électricité, elle peut alimenter des appareils électroniques personnels quand et où cela est nécessaire.

En tant que nouveau type de dispositif de génération d'énergie pour convertir l'énergie mécanique en électricité [21,22,23,24], les nanogénérateurs triboélectriques sont basés sur le couplage de l'effet d'électrification de contact et de l'induction électrostatique [25,26,27,28, 29,30]. Ils ont été démontrés avec succès en tant que sources d'alimentation durables pour l'électronique portable, les capteurs, les moniteurs environnementaux, etc. [31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44] . Parmi eux, le nanogénérateur triboélectrique portable (WTNG) a été conçu pour convertir l'énergie de mouvement du corps provenant des activités humaines en électricité [45,46,47]. Les WTNG actuels peuvent être divisés en deux catégories selon qu'un substrat est utilisé. La plupart des WTNG appartiennent à la première catégorie et ont leur électrode et leur couche de friction enduites sur un substrat flexible, tel qu'une fibre textile ou un morceau de tissu [48,49,50,51,52,53]. Ils possèdent une bonne douceur, flexibilité et légèreté. Néanmoins, l'adhérence entre l'électrode chargée et les substrats est mauvaise, ce qui réduit considérablement leur durabilité et leur facilité d'utilisation, et rend en outre ces WTNG indisponibles pour une utilisation à long terme. La deuxième catégorie de WTNG ne repose pas sur un substrat supplémentaire et leurs matériaux de construction sont directement utilisés comme couches de friction avec des électrodes. Un WTNG à base de tissu de nylon et de tissu de polyester a habilement évité le problème d'adhérence du substrat [54]. Plus tard, une sorte de WTNG avec un fil conducteur en acier inoxydable comme électrode et du caoutchouc de silicone et du PDMS comme matériaux de couche de friction ont été développés [55,56,57]. Cependant, ces WTNG n'ont pas de robustesse à long terme ou ont un processus de fabrication assez compliqué qui peut être utilisé dans une fabrication à grande échelle.

Dans ce travail, nous avons fabriqué un nouveau type de nanogénérateur triboélectrique portable tissé 2D (2DW-WTNG) avec les mérites de la robustesse et du processus de production continu qui est bien adapté à la production à grande échelle. Un 2DW-WTNG d'une taille de 1,5 × 1,5 cm ² généré une tension de sortie et un courant de sortie de 6,35 V et 575 nA, respectivement. Connecté à une charge externe de 50 MΩ, il génère une densité de puissance maximale de 2,33 mW/m ² . Après avoir été connecté à un pont redresseur, le 2DW-WTNG a alimenté instantanément une diode électroluminescente (DEL) commerciale sans aucun processus de stockage d'énergie. Il a également été utilisé pour charger un condensateur de 0,47 mF de 0 V à 1,84 V en 1 min. De plus, il a montré une bonne sensibilité aux mouvements externes jusqu'à un déplacement de 0,4  mm, une bonne adaptabilité pour travailler dans des directions arbitraires dans le plan et dans différents modes de travail, et une bonne robustesse pour travailler en continu pendant 12 h sans dégradation.

Méthodes

Fabrication de la fibre conductrice composite noyau-enveloppe en nylon/cuivre et de la fibre conductrice composite noyau-enveloppe en polyester/acier

Les matériaux de base pour la fibre composite nylon/cuivre sont le fil de nylon à coudre quotidiennement (110 μm de diamètre) et le fil de cuivre émaillé (60 μm de diamètre). Les matières premières de la fibre composite polyester/acier sont le fil de polyester à coudre quotidiennement (200 µm de diamètre) et le fil d'acier (60 µm de diamètre). Deux types de fibres composites polymère/métal ont été préparées à l'aide d'un support rotatif fait maison, comme illustré à la Fig. 1. Pour la préparation de la fibre composite nylon/cuivre, le fil de cuivre émaillé a d'abord été fixé au milieu du support rotatif, puis deux des fils de nylon étaient fixés aux deux extrémités du support rotatif. Ensuite, le haut de ces trois fils a été maintenu ensemble et suspendu. Enfin, à partir du support rotatif, des fils de nylon ont été enroulés et enroulés autour du fil de cuivre central, et la fibre composite nylon/cuivre à structure noyau-coque (380  μm de diamètre) a été formée. La préparation de la fibre composite polyester/acier était similaire à celle de la fibre composite nylon/cuivre, dans laquelle le fil de cuivre émaillé a été remplacé par le fil d'acier et le fil de nylon a été remplacé par le fil de polyester. La structure noyau-coque a été réalisée avec un fil d'acier enrobé de fil de polyester (385 μm de diamètre). Ici, différents fils métalliques ont été choisis pour équilibrer la stabilité et les performances de sortie du 2D-WTNG. Par rapport à l'acier, le fil de cuivre était recouvert d'une fine couche isolante, qui a été utilisée pour éviter le court-circuit pendant le processus de travail du 2D-WTNG. Si l'acier a été choisi pour être l'électrode centrale pour les deux fibres, le frottement et l'abrasion peuvent se produire après une longue période de travail, dans laquelle un court-circuit peut se produire entre l'électrode positive et l'électrode négative. Cela réduira la stabilité du 2D-WTNG. Si le cuivre était choisi comme électrode centrale pour les deux fibres, l'effet d'induction électrostatique serait affaibli par la couche isolante à la surface du fil de cuivre, ce qui réduirait les performances du 2D-WTNG. Ce procédé de préparation de la fibre composite polymère/métal imite le modèle du twist tuo, qui est un simple outil en fil de torsion à la main. Grâce à cette méthode, la fibre composite polymère/métal peut être mise en production en série à l'aide d'une machine de torsion en usine.

Fabrication et structure du 2DW-WTNG. un Schéma illustrant le processus de fabrication. Images SEM du fil de nylon (b ) et le fil polyester (c ), respectivement. Images optiques du fil de cuivre enduit de fil de nylon (d ) et le fil d'acier enduit de fil de polyester (e ), respectivement. f Images optiques du 2DW-WTNG

Fabrication du 2DW-WTNG

La fibre conductrice composite nylon/cuivre préparée et la fibre conductrice composite polyester/acier ont été intégrées dans le tissu par la technique générale de tricotage. Neuf fibres composites nylon/cuivre ont été assemblées côte à côte en tant que groupe, et neuf fibres composites polyester/acier ont été assemblées côte à côte en tant que groupe. Deux groupes de fibres composites nylon/cuivre et deux groupes de fibres composites polyester/acier ont été tricotés dans le WTNG avec une structure tissée 2D. Les parties supérieure et inférieure du 2DW-WTNG ont une taille de 15 mm × 15 mm (composée de 36 fibres composites) et 38 mm × 38 mm (composée de 90 fibres composites), respectivement. Leur largeur de réseau était d'environ 7   mm, comme le montre la figure 1. Ici, la largeur de réseau est déterminée par le diamètre de la fibre composite et le nombre de fibres composites utilisées dans un groupe ; ainsi, la largeur du réseau peut être ajustée de manière pratique en augmentant ou en diminuant le nombre de fibres composites dans un groupe. Ce processus de tissage peut être réalisé sur métier à tisser en usine lorsqu'une production massive est nécessaire.

Mesures du 2DW-WTNG

Le 2DW-WTNG avec une taille effective de 15 mm × 15 mm et une largeur de réseau de 7 mm a été testé en se déplaçant périodiquement d'avant en arrière. Dans les mesures, le 2DW-WTNG inférieur était fixé sur une platine mécanique qui était fermement montée sur la table expérimentale, et le 2DW-WTNG supérieur était placé sur le 2DW-WTNG inférieur et connecté à un moteur linéaire. Entraîné par le moteur linéaire à déplacement et vitesse de glissement contrôlés, le 2DW-WTNG supérieur effectue un mouvement linéaire alternatif dans la plage de l'inférieur dans une direction parallèle à la surface de l'appareil, ce qui maintient la zone de contact effective inchangée tout le temps .

Résultats et discussion

En utilisant la technologie de torsion dans la fabrication du textile, une fibre composite structurelle noyau-coque a été fabriquée avec un fil métallique comme électrode centrale et des fils à coudre comme couches de friction externes. Le 2DW-WTNG a ensuite été fabriqué en tissant deux types de fibres composites structurées noyau-coque par un processus de tissage orthotrope. La figure 1a montre l'illustration structurelle du 2DW-WTNG avec deux mêmes parties. Dans chaque partie du 2DW-WTNG, des fibres composites nylon/cuivre disposées dans une direction ont été collectées comme une électrode, et des fibres composites polyester/acier disposées dans l'autre sens ont été collectées comme l'autre électrode. Deux types de fibres composites ont été préparés à l'aide d'une installation rotative maison fonctionnant comme une machine de torsion en usine. Les images au microscope électronique à balayage (MEB) illustrées aux Figs. 1a et c révèlent l'aspect de surface du fil de nylon initial d'un diamètre de 110 µm et du fil de polyester d'un diamètre de 200 µm, respectivement. Les figures 1d et e sont les images optiques de la fibre composite nylon/cuivre préparée et de la fibre composite polyester/acier, respectivement, à partir desquelles la structure noyau-coque peut être observée distinctement. La figure 1f présente une image optique du 2DW-WTNG final composé de quatre groupes de fibres composites nylon/cuivre et de quatre groupes de fibres composites polyester/acier. Avec la structure tissée en longueur et en largeur, elle ressemble à un morceau de tissu ordinaire, et le processus de fabrication détaillé est illustré dans la section « Méthodes ».

Les performances de production d'énergie du 2DW-WTNG sont étudiées. Comme le montre la figure 2a, la partie supérieure et la partie inférieure du 2DW-WTNG étaient fixées face à face, et la partie supérieure peut coulisser vers la droite et vers la gauche contre la partie inférieure. Une fois qu'un glissement relatif s'est produit entre la partie supérieure et la partie inférieure, les surfaces de contact se sont frottées l'une contre l'autre. Étant donné que le polyester est plus triboélectriquement négatif que le nylon selon la série triboélectrique, des électrons sont injectés du nylon dans le polyester, produisant des charges triboélectriques positives sur la surface du nylon et des charges négatives sur la surface du polyester. Lorsque la partie supérieure a glissé vers la droite et que la surface de contact a glissé dans une position désalignée, comme indiqué à l'étape I, un champ électrique net est apparu à la suite de charges triboélectriques non compensées dans les régions désalignées, entraînant des électrons libres de l'électrode en polyester se déplaçant vers l'électrode en nylon jusqu'à ce que le champ électrique soit masqué par les charges induites sur les électrodes. Lorsque la partie supérieure a continué à glisser vers la droite, la surface de contact est entrée dans une position alignée et les charges triboélectriques de signes opposés ont été complètement équilibrées, conduisant à un reflux des électrons libres induits (étape II). Au fur et à mesure du glissement vers la droite, la surface de contact a été ramenée vers la position désalignée, et des électrons libres ont été conduits de l'électrode en polyester à l'électrode en nylon comme indiqué dans l'étape III. Par conséquent, un cycle du processus de production d'électricité pour le 2DW-WTNG a été achevé. Bénéficiant de la conception du réseau avec une structure d'interphase entre la fibre composite nylon/cuivre et la fibre composite polyester/acier, la charge est alternativement transférée entre deux électrodes au cours de ce processus. Expérimentalement, la situation de contact initial dépend de la façon dont la partie supérieure et la partie inférieure sont placées. Cependant, cela n'influencera pas la sortie du 2DW-WTNG. En raison de la même structure de réseau, la situation de contact initiale ne fait aucune différence dans la valeur de crête de sortie mais modifie la direction de la crête de sortie. Si la situation de contact initiale est positive à positive, la situation de contact passera d'abord de positif à négatif puis de positif à positif avec un pic de sortie positif suivi d'un pic de sortie négatif. En revanche, si la situation de contact initiale est positive à négative, la situation de contact passera d'abord du positif au positif puis du positif au négatif avec un pic de sortie négatif suivi d'un pic de sortie positif.

Caractéristiques de production d'énergie du 2DW-WTNG. un Processus global du mécanisme de production d'électricité. b Courant de sortie et c tension de sortie du 2DW-WTNG. Les inserts en b et c sont des vues agrandies du courant de sortie et de la tension de sortie. d Courant (cercle plein) et densité de puissance (cercle vide) du 2DW-WTNG avec différentes résistances de charge

Un 2DW-WTNG d'une taille de 15 mm × 15 mm et d'une largeur de réseau de 7 mm a été testé en se déplaçant périodiquement d'avant en arrière. La méthode de mesure détaillée est illustrée dans la section « Méthodes ». Avec un déplacement glissant de 8 mm et une vitesse glissante de 0,15 m/s, le 2DW-WTNG a produit une sortie de courant alternatif (AC) continu à une amplitude maximale de 575 nA à une fréquence constante de 2,7 Hz (Fig. 2b). La tension de sortie a atteint 6,3  V à la même fréquence que le courant de sortie (Fig. 2c). La vue agrandie du courant de sortie et de la tension de sortie dans un cycle de travail sont insérées dans les Fig. 2b et c, respectivement. Dans un cycle de travail, il y a deux paquets d'ondes, l'un représentant le glissement unidirectionnel vers la droite et l'autre représentant le glissement unidirectionnel vers la gauche. Et il y a deux impulsions positives et deux impulsions négatives dans chaque paquet d'ondes. Ce résultat est conforme à la structure du dispositif contenant quatre groupes de fibres composites nylon/cuivre et quatre groupes de fibres composites polyester/acier, comme illustré sur la figure 1f, qui vérifie en outre que la sortie en mode coulissant est étroitement liée au réseau. largeur et numéro de réseau dans l'appareil.

En tant que source d'alimentation en pratique, le 2DW-WTNG doit être connecté à des charges externes. Des résistances ont été utilisées pour étudier la dépendance de la puissance électrique de sortie sur la charge externe. La figure 2d montre le courant instantané et la densité de puissance de sortie instantanée en fonction de la résistance de charge externe. La densité de puissance de sortie instantanée a été calculée comme le rapport de la puissance de sortie instantanée (I ² R ) et la zone de l'appareil. Il a été constaté que le courant instantané diminuait avec l'augmentation de la résistance de charge en raison de la perte ohmique. La densité de puissance de sortie instantanée a augmenté aux faibles résistances et a atteint une valeur maximale de 2,33  mW/m ² à la résistance de charge de 50 MΩ, puis a diminué à une résistance plus élevée. Ce résultat indique le potentiel du 2DW-WTNG comme source d'alimentation pour certains appareils électroniques personnels, en particulier pour ceux dont la résistance de charge est d'environ des dizaines de mégohms.

Les performances de sortie du 2DW-WTNG en mode d'entraînement coulissant dépendent grandement du taux de séparation de la charge triboélectrique. Pour étudier cela en profondeur, les performances de sortie du 2DW-WTNG avec une taille de 15 mm × 15 mm et une largeur de réseau de 7 mm ont été caractérisées en se déplaçant périodiquement à différentes vitesses de glissement relatives avec un déplacement de glissement donné de 8 mm. Les figures 3a et b montrent le courant de sortie et la tension de sortie du 2DW-WTNG à une vitesse de glissement moyenne de 0,025 m/s, 0,050 m/s, 0,075 m/s, 0,100 m/s et 0,125 m/s, respectivement. Dans la courbe de courant et la courbe de tension, il y a un pic de sortie complet en 320 ms en déplacement unidirectionnel et un autre pic de sortie en 320 ms en se déplaçant dans le sens inverse à une vitesse de glissement de 0,025 m/s. Dans le même temps de travail, une augmentation de la vitesse a provoqué l'augmentation du nombre de pics de sortie de un à 0,025 m/s à cinq à 0,125 m/s. C'est parce qu'une vitesse de glissement plus élevée raccourcissait le temps nécessaire pour un cycle de travail et augmentait encore le nombre de cycles de travail dans le même temps de travail. La valeur de crête actuelle a été augmentée de 101 nA à 0,025 m/s à 415 nA à 0,125 m/s, ce qui impliquait qu'une augmentation de la vitesse de glissement pourrait effectivement augmenter la vitesse de séparation de la charge triboélectrique et conduire à une grande valeur de crête de sortie . La valeur de crête de tension a été augmentée de 3,6 µV à 0,025 µm/s à 6,6 µV à 0,125 µm/s, ce qui a résulté du circuit électrique de mesure. Les résistances d'entrée du circuit de mesure de tension et du 2DW-WTNG ont formé un circuit électrique RC, et le courant de fuite sur le 2DW-WTNG a été réduit lors de l'augmentation de la vitesse de glissement, ce qui a entraîné une amélioration continue de la valeur de crête de la tension de sortie. Ces résultats démontrent clairement que la valeur de crête de sortie était étroitement liée à la vitesse de glissement. Outre la vitesse de glissement, le déplacement de glissement est un autre facteur qui a largement influencé les performances de sortie du 2DW-WTNG. Considérant que la majeure partie de l'énergie mécanique dans le mouvement du corps humain provient de mouvements de faible amplitude, il est donc nécessaire de récolter la faible énergie mécanique. Pour explorer cet aspect, le 2DW-WTNG a été testé en travaillant à un déplacement de glissement de 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm et 2,0 mm avec une vitesse de glissement fixe de 0,1 m/s. Le courant et la tension de sortie sont indiqués sur les Fig. 3c et d. Sa valeur de crête de sortie augmentait avec le déplacement glissant. Au déplacement le plus court de 0,4 mm, la valeur de crête de sortie a atteint 2,3 nA et 0,05  V, respectivement, montrant sa capacité à récupérer l'énergie mécanique des petits mouvements. Selon le mécanisme de fonctionnement du 2DW-WTNG en mode de glissement horizontal, il y avait un transfert de charge alternatif lors du glissement sur une grille. Ainsi, il est prometteur d'améliorer encore le rendement du 2DW-WTNG en mode coulissant en réduisant la largeur ou le diamètre des courroies tissées ou des fibres tissées à plus petite échelle.

Performances de production d'énergie du 2DW-WTNG sous différentes vitesses de glissement relatives et déplacements de glissement relatifs. un Courant de sortie et b La tension de sortie du 2DW-WTNG variait avec les vitesses de glissement de 0,025 m/s, 0,050 m/s, 0,075 m/s, 0,100 m/s et 0,125 m/s à un déplacement de glissement donné de 8 mm. c Courant de sortie et d la tension de sortie du 2DW-WTNG variait avec les déplacements de glissement de 0,4 mm, 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm et 2,0 mm à une vitesse de glissement donnée de 0,100 m/s

Compte tenu de la complexité des activités humaines, l'énergie du mouvement du corps peut provenir de différentes directions. Par conséquent, un WTNG qualifié devrait être capable de récupérer l'énergie des mouvements du corps dans différentes directions. En d'autres termes, on s'attend à ce qu'un WTNG fonctionnant dans le mode de glissement planaire fonctionne le long de directions de glissement arbitraires. Comme le montre la figure 4a, deux parties du 2DW-WTNG étaient placées face à face et la partie supérieure pouvait glisser sur la partie inférieure le long du X -axe. En gardant le sens de déplacement, la rotation de la partie supérieure a entraîné un angle (θ ) entre le sens de coulissement et un côté de la partie supérieure. Ici, le θ représentait essentiellement l'orientation de travail relative entre la partie supérieure et la partie inférieure du 2DW-WTNG, ce qui nécessitait que le 2DW-WTNG puisse travailler à différentes orientations de travail relatives. Pour élucider cela, le 2DW-WTNG a été testé sur un ensemble de θ valeurs (0°, 10°, 20°, 30°, 40° et 50°) entraînées par le moteur linéaire à une vitesse de glissement de 0,10 m/s et un déplacement de glissement de 10 mm. Son courant de sortie et sa tension de sortie à différents θ sont représentés sur les Fig. 4b et c. L'appareil a généré un courant de sortie de 134,45 nA et une tension de sortie de 2,23  V respectivement à une orientation de travail relative de 50°. Pendant ce temps, en raison de la symétrie dans le plan, le courant de sortie et la tension de sortie à 40° étaient très proches de ceux à 50°. Bien que le courant de sortie et la tension de sortie aient légèrement diminué comme θ augmente en raison de la diminution de la zone de friction effective causée par les grilles dépareillées entre la partie supérieure et la partie inférieure du 2DW-WTNG, ces résultats expérimentaux ont fortement validé que le 2DW-WTNG pouvait fonctionner normalement dans différentes orientations de travail. Bénéficiant de la fibre composite cylindrique, sa surface lisse a rendu le glissement continu et reposant, plutôt que le glissement oscillant dans les grilles étroites avec un bord évidemment surélevé réalisé par procédé lithographique. De même, si un mouvement externe dans une direction arbitraire dans le plan était appliqué sur la partie supérieure du 2DW-WTNG, il glissait dans la direction du mouvement et frottait avec la partie inférieure, et ainsi, l'énergie du mouvement pourrait être récupérée et convertie en électricité .

Adaptabilité du 2DW-WTNG fonctionnant dans des directions arbitraires dans le plan. un Schéma de principe du 2DW-WTNG fonctionnant à différentes orientations relatives. b Courant de sortie et c tension de sortie du 2DW-WTNG à différentes orientations relatives

En tant que récupérateur d'énergie, la sortie du 2DW-WTNG devrait être suffisamment élevée pour alimenter certains appareils électroniques. Comme le montre la Fig. 5a, le 2DW-WTNG était connecté à un pont redresseur, puis connecté à deux circuits de dérivation. Avec le pont redresseur, la sortie CA du 2DW-WTNG a été transformée en sortie de courant continu (CC). Le signal CC redressé est illustré à la Fig. 5b. Lors de la connexion du pont redresseur au premier circuit de dérivation, le signal CC redressé a été directement utilisé pour allumer la LED rouge comme indiqué dans l'encart et dans le fichier supplémentaire 1 :vidéo S1. Lorsque le pont redresseur a été connecté au deuxième circuit de dérivation, l'électricité du 2DW-WTNG a chargé un condensateur commercial de 0,47 F. La courbe de charge est illustrée à la Fig. 5c et sa quantité de charge correspondante stockée dans le condensateur est illustrée dans l'encart. Le condensateur a été chargé à 1,84 V en 1 min, et la densité de charge correspondante a atteint 3,84 mC/m ² . Ces deux tests ont indiqué qu'en tant que récupérateur d'énergie, le 2DW-WTNG pouvait non seulement être utilisé comme source d'alimentation de secours pratique, mais qu'il pouvait également alimenter en énergie une cellule de stockage. De plus, la stabilité du 2DW-WTNG est un facteur essentiel pour garantir ses applications pratiques. Ici, la stabilité du 2DW-WTNG a été testée en le faisant fonctionner en continu pendant 12 h à une vitesse de glissement de 0,1 m/s et un déplacement de glissement de 8 mm. Les courbes de courant en 10 s pour chaque heure sont illustrées à la Fig. 5d, et peu de changements peuvent être trouvés dans la valeur du courant de sortie après 12 h de travail continu, présentant des performances de production d'énergie très stables. De plus, pour démontrer la polyvalence du 2DW-WTNG dans la récupération d'énergie dans divers types, un groupe de mesures électriques a été effectué sur le 2DW-WTNG. Comme le montre l'encadré de la figure 5e, le frottement effectif se produit lorsque la partie supérieure du 2DW-WTNG est d'abord en contact vertical avec la partie inférieure du 2DW-WTNG (processus I), puis glisse horizontalement sur le 2DW-WTNG inférieur. (processus II). Pendant la mesure, l'opération de contact-coulissement-séparation a été répétée plusieurs fois, et son courant de sortie est indiqué sur la figure 5e. Pour le premier processus de frottement à contact vertical, il y avait un pic de sortie élevé mais étroit, puis pour le processus de frottement à glissement horizontal suivant, il y avait un pic bas mais large. Lors du dernier processus de séparation verticale pour le cycle de mesure suivant, un pic de sortie élevé mais étroit devrait apparaître mais manquait. Cela peut être attribué à deux raisons. La première est que la partie supérieure du 2DW-WTNG a glissé vers la partie inférieure opposée du 2DW-WTNG, et le potentiel électrique était presque équilibré. L'autre est que le dernier processus de séparation verticale était plutôt lent, de sorte que le potentiel électrique a rapidement atteint l'équilibre dans l'air. L'analyse synthétique a confirmé que ces deux types de pics de courant de sortie étaient cohérents avec les caractéristiques des deux modes de fonctionnement du 2DW-WTNG, affichant sa forte adaptabilité pour récupérer l'énergie de la pression positive verticale et de la force tangentielle horizontale dans les mouvements du corps humain.

Application du 2DW-WTNG. un Circuit de redressement avec deux circuits de dérivation à la borne de sortie. b Signal de courant de sortie rectifié. L'encart est une image optique d'une LED rouge alimentée par le signal de courant redressé. c Courbe de charge pour un condensateur commercial de 0,47 μF chargé par le courant redressé. L'insert correspond aux charges de sortie correspondantes stockées dans le condensateur. d Courant de sortie du 2DW-WTNG fonctionnant en continu pendant 12 h. e Courant de sortie du 2DW-WTNG fonctionnant dans deux modes de fonctionnement différents, démontrant la polyvalence du 2DW-WTNG dans la récupération de l'énergie du mouvement du corps humain. Le processus de travail est indiqué dans l'encart

Fichier supplémentaire 1 :Vidéo S1. Vidéo d'allumage instantané d'une LED rouge. (AVI 1334 ko)

Conclusions

En résumé, un nouveau WTNG avec une structure tissée 2D comme source d'alimentation portable a été développé grâce à une approche facilement évolutive. Ce 2DW-WTNG a démontré sa bonne capacité à convertir l'énergie mécanique en électricité et a généré une densité de courant jusqu'à 2.73 mA/m ² . Il pourrait alimenter instantanément une LED rouge commerciale sans avoir besoin d'un processus de stockage d'énergie. Il peut également être utilisé pour charger un condensateur de 0,47 μF à 1,84 V en 1 min et la densité de charge atteint 3,84 mC/m ² en 1 minute Bénéficiant de la robustesse de la fibre structurée noyau-coque et de la structure tissée, le 2DW-WTNG pouvait fonctionner dans des directions de glissement arbitraires. De plus, le 2DW-WTNG a été appliqué pour récolter de l'énergie mécanique sous différentes formes et a fonctionné en continu pendant 12 h avec un rendement constant. Les performances, la flexibilité, la maniabilité et la robustesse remarquables ont permis au 2DW-WTNG de récupérer l'énergie mécanique du mouvement du corps humain et d'alimenter des produits électroniques à faible consommation. Plus important encore, ce travail fournit un modèle conçu pour la production massive de générateurs portables à base de fibres, ce qui favorisera grandement le développement d'appareils électroniques personnels.

Disponibilité des données et des matériaux

Les données et l'analyse du présent travail sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Abréviations

2DW-WTNG :

Nanogénérateur triboélectrique portable tissé en 2D

CA :

Courant alternatif

DC :

Courant continu

LED :

Diode électroluminescente

SEM :

Microscope électronique à balayage

WTNG :

Nanogénérateur triboélectrique portable