Трибоэлектрификация может применяться не только в портативной электронике с автономным питанием, но и стать новой энергетической технологией, способствующей крупномасштабному сбору энергии посредством инженерного проектирования будущего

С 1870-х годов, когда были изобретены электродвигатели, электричество стало самым важным вторичным источником энергии и основной формой ее потребления.

В последние годы тренд на использование электрических носимых технологий и электромобилей с нулевым уровнем выбросов вредных веществ обозначил зависимость от увеличения мощности энергогенерирующих автономных устройств и повышения плотности энергии в системах ее накопления.

Это стремление к высокопроизводительному накоплению энергии увеличило потребность в новых материалах, которые ее могут производить и хранить. Устройства накопления электрохимической энергии, включая батареи и суперконденсаторы, играют в этом процессе особенно важную роль.

Однако особого внимания заслуживают гибридные устройства накопления энергии, которые используют трибоэлектрические возможности материалов для производства энергии за счет движущихся частей, дополняя жесткие элементы батареи.

Носимая электроника должна сменить форму от большой и жесткой к гладкой и ультратонкой. Традиционная жесткая электроника не совместима с эластичной кожей человека. [2] Хотя гибкие, растягивающиеся батареи действительно существуют, они остаются относительно хрупкими и имеют очень непродолжительное время автономной работы. Поэтому в последнее десятилетие появилось немало исследований в области растяжимых носимых изделий, которые могут сочетаться с кожей человека.

Трибоэлектрические материалы в текстиле

Исследователи создали носимую ткань, которая генерирует электричество с помощью трибоэлектрических материалов.

Прямоугольные вставки из сплетенных волоконных солнечных элементов

Этот квадрат ткани, покрытый проводящим полимерным материалом, содержит в своем составе прямоугольные вставки из сплетенных волоконных солнечных элементов. Фото: Jeff Miller/UW-Madison

Трибоэлектричество - это заряд электричества, генерируемый за счет силы трения. Основа трибоэлектрического эффекта - это выработка электроэнергии за счет электростатической индукции.

Когда различные материалы неоднократно соприкасаются друг с другом, электроны смещаются и образуют противоположные заряды на их поверхностях. [3] Другими словами, текстиль генерирует электричество во время движения пользователя.

Используя солнечную и механическую энергию, генерируемый заряд позволит потребителю питать электронные устройства, просто гуляя. [1]

Энергогенерирующий текстиль, как правило, состоит из двух компонентов, сплетенных вместе. Волокно, которое использует трибоэлектрический эффект, имеет структурные элементы с металлическим покрытием. Можно встретить немало вариаций таких структур, от волокон, покрытых серебром, нанопроволок из оксида цинка, до тонких плоских полосок меди, покрытых тефлоноподобными полимерами. [4]

Другой энергетический компонент - волоконные солнечные элементы. Исследователи научились производить солнечные элементы из волокон путем выращивания светочувствительных нанопроволок из оксида цинка на марганцевых или покрытых медью пластиковых нитях. [1]

Два материала сплетаются вместе с использованием промышленной швейной машины. [5] Чередующиеся трибоэлектрические полосы и волоконные солнечные элементы с покрытыми медью пластиковыми нитями, которые служат электродами, вырабатывают электричество от трения при движении пользователя, когда ткань гнется.

Эта технология может использоваться в одежде, палатках и шторах. Гибридная концепция может обрести популярность в мире носимых технологий с автономным питанием.

Заключение

Трибоэлектрификация может применяться не только в портативной электронике с автономным питанием, но и стать новой энергетической технологией, способствующей крупномасштабному сбору энергии посредством инженерного проектирования будущего.

 

Источник:

Paige Voigt. «Future of Fabric - Трибоэлектрические материалы»

Ссылки:

[1] L. S. McCarty и G. M. Whitesides, «Электростатическая зарядка из-за разделения ионов на интерфейсах: контактная электрификация ионных электретов», Angew. Chem. Int. Ed. 47, 2188 (2008).

[2] M. Scudellari, «Носимые датчики дают коже пространство дышать», IEEE Spectrum, 20 марта 17.

[3] C. Q. Choi, «Костюм будущего», IEEE Spectrum, 5 марта 15.

[4] Z. L. Wang, «Трибоэлектрические наногенераторы как новая энергетическая технология для автономных систем и в качестве активных механических и химических датчиков», ACS Nano 7, 9533 (2013).

[5] J. Chen et al., «Микро-кабельный структурированный текстиль для одновременного сбора солнечной и механической энергии» Nat. Energy 1, 16138 (2016).

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

  • Дата:26.05.2020
  • Просмотры:526
  • Источник: Stanford University

Другие публикации по теме