Amélioration de la récupération d'énergie triboélectrique : revue complète des techniques de polarisation diélectrique

Résumé

Les dispositifs de récupération d'énergie basés sur l'effet triboélectrique attirent une grande attention en raison de leurs performances de sortie supérieures aux autres nanogénérateurs, utilisés dans diverses applications portables. Selon le mécanisme de fonctionnement, la performance triboélectrique est principalement proportionnelle à la densité de charge de surface des matériaux triboélectriques. Diverses approches, comme la modification des groupes fonctionnels de surface et de la composition diélectrique des matériaux triboélectriques, augmentent la densité de charge de surface, améliorant les performances triboélectriques. Notamment, l'ajustement des propriétés diélectriques peut augmenter significativement la densité de charge de surface car la charge de surface est proportionnelle à la permittivité relative du matériau triboélectrique. La constante diélectrique relative est modifiée par la polarisation diélectrique : électronique, vibrationnelle (atomique), orientationnelle (dipolaire), ionique et interfaciale. Ainsi, cette polarisation représente un facteur critique pour améliorer la constante diélectrique et la performance triboélectrique consécutive. Cette revue résume les avancées récentes sur l'amélioration de la performance triboélectrique via polarisation diélectrique renforcée.

Introduction

Les dispositifs piézoélectriques, pyroélectriques et triboélectriques attirent l'attention comme récupérateurs d'énergie pour génération d'électricité depuis environnements environnants : eau, vent, lumière, température, vibration. En plus de sources d'énergie, ces dispositifs servent comme capteurs auto-alimentés pour applications variées : peaux électroniques, dispositifs surveillance santé, robotique. Parmi eux, les dispositifs triboélectriques affichent des performances de sortie relativement plus élevées quand deux matériaux triboélectriques sont mis en contact. Les signaux triboélectriques produits peuvent directement faire fonctionner des dispositifs électriques ou surveiller stimuli mécaniques/chimiques sur les dispositifs. Les dispositifs triboélectriques sont simplement conçus : fabrication simple, faible coût, excellente performance sortie, flexibilité vs autres technologies, avantageux pour applications portables auto-alimentées.

La triboélectricité résulte de l'électrification par contact et induction électrostatique entre matériaux triboélectriques dissemblables. Le contact mécanique induit charges opposées compensées sur chaque couche triboélectrique par électrification par contact, et la séparation mécanique entraîne flux de courant dans circuit externe par induction électrostatique. Donc la performance sortie triboélectrique est directement affectée par les charges de surface sur couches triboélectriques.

Pour hautes performances sortie triboélectrique, génération efficace charges de surface pendant électrification par contact et transfert efficace charges pendant induction électrostatique sont nécessaires. Il est crucial de sélectionner matériaux de contact triboélectrique appropriés et concevoir structures dispositifs optimales. Selon mécanisme, quatre types dispositifs triboélectriques avec matériaux diélectriques comme couches triboélectriques ont été rapportés. Deux catégories selon types matériaux contact : diélectrique-diélectrique et conducteur-diélectrique (Fig. 1a). Dans premier, deux plaques diélectriques, épaisseurs d₁, d₂, constantes diélectriques relatives εᵣ,₁, εᵣ,₂, empilées face à face comme couches triboélectriques, électrodes déposées surfaces externes diélectriques. Distance (x) entre deux couches varie sous force mécanique périodique.

Par la suite, surfaces contactées ont charges opposées même densité (σ) par électrification par contact. Quand couches commencent séparer par distance croissante, différence potentielle (V) induite entre deux électrodes par quantités charges positives/négatives transférées (+Q/−Q). Similairement, mode contact conducteur-diélectrique sans couche diélectrique 1, métal 1 sert à la fois couche triboélectrique supérieure et électrode supérieure. Structure dispositif : deux parties charges dans métal 1 : charges triboélectriques (S × σ) et charges transférées entre électrodes (−Q), total (Sσ − Q) charges dans métal 1. Considérant dispositifs triboélectriques mode contact ci-dessus, performance sortie dérivée électrodynamique :

V = −Q/(Sε₀) (d₀ + x(t)) + σ x(t)/ε₀ (1)
V_OC = σ·x(t)/ε₀, I_SC = dQ_SC/dt, Q_SC = Sσ x(t)/(d₀ + x(t)), d₀ = Σ d_i/εᵣ,ᵢ (2)

L'épaisseur diélectrique effective d₀ = somme épaisseurs diélectriques d_i divisées par permittivité relative εᵣ,ᵢ. D'après Eq. 2, performance triboélectrique directement affectée par densité charge de surface (σ) couches diélectriques.

Précédemment, modification surface matériaux triboélectriques ou introduction matériaux hautement diélectriques rapportée pour augmenter densité charge surface. Modification surface : contrôle morphologie surface ou introduction ions chargés, augmente densité charge surface en augmentant surface de contact ou polarité triboélectrique entre couches paires. En plus réglage propriété surface, augmentation constante diélectrique augmente capacitivité couche diélectrique, résultant augmentation densité charge surface. Modèle condensateur plaques parallèles : densité charge surface liée capacitivité couche diélectrique : σ = CV/S, C = Sεε₀/d (3). C, S = capacitivité, aire contact. Eq. 3 : capacitivité C (facteur améliorant densité charge surface dispositif triboélectrique mode contact diélectrique) augmente avec constante diélectrique et/ou réduction épaisseur couche diélectrique, densité charge surface proportionnelle rapport constante diélectrique/épaisseur (ε/d). Similairement, dispositif triboélectrique, capacitivité couche tribo-diélectrique exprimée Eq. 2 : C = Q_SC/V_OC = ε₀S/(d₀ + x(t)) (4). Ex. : couche diélectrique poreuse dispositif triboélectrique augmente efficacement rapport ε/d en augmentant simultanément constante diélectrique et diminuant épaisseur sous pression externe, augmentant significativement densité charge surface même mêmes couches triboélectriques. Donc constante diélectrique couche triboélectrique facteur efficace améliorer densité charge surface mieux que potentiel surface déterminé par sélection matériaux paire triboélectrique.

Bien que constante diélectrique matériau triboélectrique facteur important amélioration performances triboélectriques, aucune discussion exhaustive sur principes et stratégies augmenter constante diélectrique n'existait. Précédemment, plusieurs excellentes revues dispositifs triboélectriques (matériaux, mécanismes) rapportées ; cependant, peu d'études sur dispositifs triboélectriques diélectrique-induits rapportées. Ici, nous introduisons bases polarisation diélectrique et démontrons que performances sortie dispositifs triboélectriques peuvent être significativement contrôlées et améliorées par design matériaux diélectriques avec polarisation diélectrique contrôlée.

Polarisation diélectrique pour performance triboélectrique améliorée

Constante diélectrique (permittivité relative) = facteur diminuant champ électrique appliqué par polarisation diélectrique matériaux, améliorable par ingénierie matériaux diélectriques via introduction additifs diélectriques ou modification structures chimiques, menant divers phénomènes diélectriques. Polarisation diélectrique divisée en : électronique, vibrationnelle (atomique), orientationnelle (dipolaire), ionique, interfaciale (Fig. 1b). Polarisation électronique et atomique induites par distortion électrons négatifs et noyaux positifs atome direction opposée champ électrique externe, acquérant moments dipolaires électriques, se produisant régime résonance au-dessus fréquences infrarouges (> 100 GHz). Matériaux basés polarisation (semi-conducteurs) sans perte diélectrique < 1 GHz, plus désirés applications pratiques quelques Hz à 1 GHz. Cependant, la plupart polymères organiques constantes diélectriques < 10 vs matériaux semi-conducteurs à cause nature intrinsèque liaisons moléculaires, ne pouvant induire polarisation électronique/atomique. Pour induire polarisation électronique/atomique polymères, chaînes polymères doivent impliquer atomes plus grands avec électrons polarisables (Si, Ge, Sn) que compositions polymères basiques. Bien que polymères Si-base (polysiloxanes, dérivés) synthétisés, constante diélectrique ≤ 3–4. Difficile augmenter polarisation électronique/atomique polymères isolants.

Dans polymères, alors que polarisation électronique/atomique limitées augmenter constante diélectrique cause structure liaison moléculaire intrinsèque, autres polarisations dipolaire, ionique, interfaciale utilisables améliorer constante diélectrique. Polarisation dipolaire (orientation) causée par réorientation moments dipolaires moléculaires permanents polymères ou nanocomposites incluant nanoparticules ou moieties dipolaires, affectée structures phases (amorphe/cristalline), température, fréquence (généralement < 10 MHz). Modification structures dipolaires permet préparation verre dipolaire, ferroélectrique, ferroélectrique relaxeur. Ex. : orientation dipolaire polyvinylidène fluoride (PVDF)-dérivés forme phase β, augmentant constante diélectrique, améliorant performance triboélectrique. Polarisation ionique causée déplacements relatifs ions chargés positivement/négativement sous force externe. Polymères composants ioniques utilisables améliorer performance capacitive par polarisation ionique. Ex. : composants ioniques (ex. NaCl, LiCl) hydrogels polarisés champ externe → formation couches doubles électriques → amélioration performance triboélectrique. Polarisation interfaciale induite réorganisation charges d'espace interfaces composites diélectriques. Observable tous systèmes diélectriques multicomposants : polymères semi-cristallins, mélanges polymères, nanocomposites charges nanofillers haut-k ou conducteurs. Récemment, nanocomposites polymères nanoparticules haut-k améliorent constante diélectrique nette → augmentation densité charge surface → performance triboélectrique, utilisés dispositifs triboélectriques. Sections suivantes : exemples démontrant amélioration performance sortie triboélectrique par augmentation constante diélectrique.

Polarisation interfaciale composites nanoparticules haut-k/polymère

Nanoparticules haute permittivité utilisées améliorer constantes diélectriques nanocomposites polymères par polarisation interface polymère-nanoparticules. Matériaux inorganiques (ex. nanoparticules/nanofils titanate baryum BaTiO₃) ou conducteurs (ex. NP métaux, nanotubes carbone, graphène) largement employés matrices polymères augmenter constante diélectrique nette → composites polymères additifs divers constantes diélectriques > polymères base → performances triboélectriques améliorées. Chen et al. : film PDMS éponge incluant NP haut-k (SiO₂, TiO₂, BaTiO₃, SrTiO₃) améliore performances triboélectriques (Fig. 2a). SrTiO₃ permittivité plus haute → PDMS SrTiO₃ constante diélectrique plus haute. Aussi causé par polarisation charges espace interface PDMS-SrTiO₃. Notamment, performance sortie triboélectrique améliorée par augmentation capacitivité via εᵣ/d_PDMS accru pendant contact. En plus NP diélectriques, matériaux haute permittivité divers (BaTiO₃ Al-dopé, CaCu₃Ti₄O₁₂) appliqués couches triboélectriques → constante diélectrique améliorée performance résultante (Fig. 2b). D'autre part, ajout matériaux conducteurs permet formation structures micro-condensateurs matrice polymère, induisant accumulation charges espace interface matrice polymère-additifs. Ce type polarisation interfaciale causé grande différence conductivité entre polymère et additifs conducteurs.

Donc composites polymères matériaux métal/carbone constantes diélectriques accrues vs polymères purs → augmentation densité charge surface performance triboélectrique résultante (Fig. 3). Bien que composites polymères haute permittivité largement utilisés matériaux triboélectriques négatifs, limitations amélioration performance sortie : (1) Ratio optimisé additifs matrice polymère car additifs excessifs causent courant fuite ou réduction surface frottement → diminution performance sortie. (2) Additifs doivent être dispersés homogènement matrice polymère améliorer polarisation interfaciale car NP agrégées interrompent polarisation interfaciale par réduction aire interfaciale polymère-NP.

Polarisation interfaciale films polymères multicouches

Composites nanoparticules/polymère phases aléatoires : polarisation interfaciale difficile contrôler car contrôle précis quantité/dispersion NP requis. Diélectriques multicouches : polarisation interfaciale facilement contrôlée car toutes interfaces perpendiculaires champ électrique → accumulation uniforme charges espace interfaces multicouches → constante diélectrique améliorée. Diélectriques polymères multicouches largement investigués améliorer constante diélectrique par polarisation interfaciale entre couches polymères dissemblables. Polarisation interfaciale se produit quand charges espace (électrons, ions) s'accumulent interface deux matériaux dissemblables grands contrastes permittivité/conductivité électrique sous champ externe. Kim et al. et Feng et al. démontrent effet films bicouches grande différence permittivité relative sur performance sortie triboélectrique (Fig. 4a,b). Ajout couches diélectriques inférieures entre couche conductrice et électrode cause piégeage/stockage charges film diélectrique → augmentation densité charge. Accumulation charges due augmentation polarisation interface films bicouches grande différence permittivité/conductivité entre PVDF et films isolants. Notre groupe démontre effet film bicouche polymères différentes unités fluor et téréphtalate polyéthylène (PET) isolant sur performance sortie (Fig. 4c). Notamment, polymères fluorés trois unités fluor chaîne latérale (poly(2,2,2-trifluoroéthyl méthacrylate), PTF) déposés substrats PET constante diélectrique inférieure → augmentation constante diélectrique causée polarisation interfaciale améliorée interface PTF semi-cristallin-PET. Conséquemment, PTF-PET performance triboélectrique plus haute autres films polymères fluorés. Basé résultats, films diélectriques multicouches hétérogènes design robuste améliorer performance triboélectrique dispositifs flexibles/portables.

Polarisation ionique gels polymères ioniques

Matrice polymère composants ioniques (sauf ions impuretés) : polarisation ionique favorise formation couche double électrique (CDE) interface électrolyte polymère-électrode → augmentation constante diélectrique. Polarisation souvent utilisée dispositifs stockage énergie : condensateurs (supercondensateurs, condensateurs CDE) batteries. Équation Helmholtz : capacitivité C ≈ kε₀/λ, k, ε₀, λ = constante diélectrique effective CDE, permittivité vide, longueur écran Debye (épaisseur couche double). Dispositif triboélectrique : composants ioniques (paires ions symétriques/asymétriques, liquides ioniques) matériaux polymères souvent employés. Poly(vinyl alcool) (PVA) matériau triboélectrique négatif (groupes hydroxyle chaîne polymère) → interagit différents types paires ions. Champ électrique externe appliqué → polarisation ionique par déplacements relatifs ions positifs/négatifs → contribution formation CDE interface couches triboélectriques. Ryu et al. : électrolytes polymères solides (EPS) base PVA ions symétriques/asymétriques comme couches triboélectriques positives/négatives (Fig. 5a). Après contact PVA pur, potentiels surface différents mesurés systématiquement effet différents types dopage ionique. Ex. : EPS deviennent matériaux triboélectriques négatifs/positifs après ajout acide phosphorique (H₃PO₄) plus cations qu'anions ou chlorure calcium (CaCl₂) plus anions que cations, car cations/anions créent états électroniques chargés/additionnels ou inoccupés. Pratiquement, conducteur ionique PVA solution borax ou poly(acrylamide) chlorure lithium appliqué récupération énergie biomécanique détection tactile → amélioration performances triboélectriques par formation CDE (Fig. 5b). Similairement, Zou et al. : nanogénérateur bionique extensible élastomère Ecoflex solution NaCl inspiré structure canaux ions cytomembrane électrolyte anguille électrique. Combinant effets triboélectrification fluide fluide et induction électrostatique ions polarisés → récupération énergie mouvement humain sous-marin tension circuit ouvert > 10 V. De plus, Lee et al. : performance triboélectrique nanogénérateur connecté unité gel ionique liquide ionique poly(vinylidène fluoride-co-hexafluoropropylène) → profil tension large lent cause grand temps relaxation ions polarisés (Fig. 5c). Dispositifs triboélectriques gel ionique permettent fabrication dispositifs ultra-extensibles, transparents, imperméables portables, bien que encapsulation matrice élastomère nécessaire prévenir fuite ions.

Polarisation dipolaire dérivés ferroélectriques PVDF

Polarisation dipolaire (orientationnelle) autre stratégie augmenter constante diélectrique faible perte diélectrique, causée augmentation moment dipolaire par dipôles alignés structures phases chaînes polymères. Exemples types : PVDF et dérivés. Polymères moments dipolaires permanents since phase β unidirectionnelle formée → augmentation constante diélectrique performance triboélectrique résultante. Cheon et al. : nanogénérateurs triboélectriques haute performance base nanofibres composites PVDF-nanofils argent (AgNW) (Fig. 6a). Introduction AgNW dans PVDF augmente ratio phase β/α par interaction AgNW-chaines moléculaires PVDF → constante diélectrique améliorée → piégeage charges couche diélectrique PVDF-AgNW. En plus sources métalliques, Seung et al. : nanoparticules semi-conductrices (BaTiO₃) matrice copolymère ferroélectrique (poly(vinylidène fluoride-trifluoroéthylène), PVDF-TrFE) (Fig. 6b). Performance triboélectrique significativement améliorée après processus polage > 150× nanogénérateurs triboélectriques base polytétrafluoroéthylène typiques. Contrairement composites polymères hétérogènes, notre groupe récemment démontré effet nanocomposites multicouches ferroélectriques performance triboélectrique (Fig. 6c). Films diélectriques multicouches alternant PVDF-TrFE et BaTiO₃ affichent constante diélectrique plus haute (17,1) que PVDF-TrFE pur (13,9) et nanocomposite monocouche PVDF-TrFE/BaTiO₃ (15,9) cause polarisation interfaciale entre couches copolymère-NP (section films diélectriques multicouches Fig. 4). Séquentiellement, performance sortie triboélectrique augmente vs films monocouche. Bien que nanocomposites polymères ferroélectriques améliorent performance sortie triboélectrique par constante diélectrique augmentée par polarisation ferroélectrique haute, limitation augmentation performance cause seuil percolation additifs.

D'autre part, moment dipolaire modifiable introduction molécules polaires uniques (–CN, –NO₂, –SO₂–) ou polymères polaires (polystyrène, poly(2-hydroxyéthyl méthacrylate), poly(dopamine méthacrylamide)) permettant rotation dipôles volume libre polymères → amélioration constante diélectrique. Polarisation dipolaire récemment utilisée augmenter constante diélectrique matériaux triboélectriques en attachant groupes polaires grands moments dipolaires chaîne latérale polymères. Lee et al. : copolymère greffé PVDF augmente remarkably performance sortie triboélectrique (Fig. 7). Poly(tert-butyl acrylate) (PtBA) différents ratios greffage introduits chaîne PVDF → moment dipolaire amélioré par liaisons π et groupes ester polaires PtBA → constante diélectrique améliorée → performance sortie triboélectrique subséquente. En plus polymère greffé, diélectriques polymères domaines nanostructurés augmentent constante diélectrique par polarisabilité orientationnelle dipolaire. Bien que matériaux diélectriques base polymères avantages (procédé solution, flexibilité), peu études telle polarisation dispositifs triboélectriques rapportées.

Conclusions et perspectives

Dispositifs électroniques portables et implantables auto-alimentés essentiels, surtout depuis développement technologie Internet-des-Objets (IdO). Effet triboélectrique phénomène le plus fréquent vie quotidienne → dispositifs triboélectriques récupérateur d'énergie prometteur dispositifs portables auto-alimentés combinés autres applications. Développement industrie IdO : dispositifs électroniques nécessitent miniaturisation multifonctionnalité → hautes performances sortie. Bien que dispositifs triboélectriques hautes performances développés structures dispositifs modes combinés, nécessaire améliorer performance sortie multiples dispositifs.

Jusqu'ici, recherche focalisée développement matériaux paire triboélectrique (généralement matériaux triboélectriques négatifs), matériaux tribo-diélectriques rarement investigués. Matériaux diélectriques potentiel améliorer performances triboélectriques selon relation densité charge surface-constante diélectrique, invention matériaux triboélectriques basés divers mécanismes polarisation permet développement dispositifs portables haute puissance, réalisable ainsi :

1. Variété matériaux diélectriques haut-k synthétisés contrôle facteur structural ou dopage chimique → plusieurs candidats augmenter constante diélectrique composites polymères. Modification surface nanomatériaux diélectriques dispersion homogène matrice polymère et contrôle structure diélectrique (ex. composites multicouches hétérostructurés ou composites diélectriques matériaux conducteurs alignés) investigués augmenter propriétés diélectriques. Peu approches utilisées dispositifs triboélectriques améliorer performance sortie. Haute compatibilité/alignement additifs matrice polymère → augmentation aire interfaciale ou réduction courant fuite → amélioration constante diélectrique performance sortie résultante.

2. En plus nanocomposites polymères diélectriques, modification structures chaînes polymères améliore propriétés diélectriques par polarisation dipolaire moments dipolaires améliorés. Polymères hautes constantes diélectriques synthétisés greffage composants polarisables ou ingénierie nanostructures → augmentation constante diélectrique polarisation dipolaire. Matériaux diélectriques base polymères bons candidats matériaux triboélectriques grâce propriétés physiques : flexibilité, procédabilité solution → développement dispositifs triboélectriques imprimables applications portables prochaine génération.

3. En plus polarisation diélectrique, processus polage électrique induisant réalignement dipôles champ électrique fort autre approche améliorer constante diélectrique → amélioration subséquente performances triboélectriques. Récemment, méthodes auto-pelage appliquées améliorer propriétés ferroélectriques via processus cisaillement-induit dans générateurs piézoélectriques, bien que performance sortie reste inférieure générateurs triboélectriques. Mécanisme combiné polarisation diélectrique et auto-pelage composites diélectriques effet synergique améliorer significativement constante diélectrique → amélioration remarquable performances triboélectriques.

4. Majorité études focalisées matériaux triboélectriques négatifs. Performance triboélectrique issue électrification contact couches triboélectriques positive/négative → matériaux triboélectriques positifs facteur important améliorer performances sortie. Matériaux paire triboélectrique induits polarisation promouvoir développement dispositifs triboélectriques performances sortie significativement améliorées → applications pratiques nécessitant haute puissance : dispositifs portables intelligents, dispositifs IdO portables.

Disponibilité des données et matériaux

Non applicable.

Abréviations

CDE :

Couche double électrique

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

PET :

Téréphtalate de polyéthylène

PtBA :

Poly(tert-butyl acrylate)

PTF :

Poly(2,2,2-trifluoroéthyl méthacrylate)

PVA :

Poly(vinyl alcool)

PVDF :

Polyvinylidène fluoride

EPS :

Électrolyte polymère solide