Triboelectric nanogenerators for self-powered systems

Verbeterde TENGs: sensoren die zonder batterij kunnen

Bij een gedistribueerd Internet of Things (IoT) zullen talrijke sensoren informatie moeten kunnen uitwisselen. Momenteel maken sensoren vaak gebruik van een batterij, en hoewel je voor één sensor niet zoveel energie nodig hebt, tikt het totaal flink aan. Daarom is het zeer wenselijk als sensoren zonder batterij kunnen. 

Tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG's), zijn minuscule apparaatjes die mechanische energie uit de omgevingen kunnen oogsten, en dus zonder batterij kunnen. Zo'n TENG werkt op basis van hetzelfde principe dat je in de winter soms een schok geeft wanneer je een deurklink aanraakt: het tribo-elektrisch effect. Door wrijving bouw je een beetje statische elektriciteit op, die zich ontlaadt bij de deurklink - op dezelfde wijze genereert een TENG energie door twee plaatjes van een ruw materiaal tegen elkaar te wrijven. 

Voor praktische toepassingen moeten de oppervlakteladingsdichtheid, de output en de duurzaamheid van TENG's echter nog worden verbeterd. Bovendien moeten de structuur en functionaliteit van TENG's zo worden ontworpen dat ze scenario-adaptief zijn. In zijn promotieonderzoek realiseerde Wenjian Li voor het eerst hoogwaardige TENG's door nieuwe tussenliggende nanomaterialen te onderzoeken, waaronder 2D-smectietklei-nanoplaten, 2D-mica-nanoplaten en geordende mesoporeuze SiO₂-nanodeeltjes als ladingsdonoren en opslagplaatsen om de tribo-elektrische ladingsdichtheid te verbeteren. 

Om de duurzaamheid van TENG's te verbeteren, stelt Li vervolgens een niet-polymeergebaseerd tribo-elektrisch paar voor, bestaande uit diamantachtige koolstof en glas met uitstekende duurzaamheid en tribo-elektrische output. Tenslotte geeft Li een aantal structurele ontwerpen van concrete TENG's, geïnspireerd door de natuur: op lotusbladeren geïnspireerde zweetbestendige draagbare TENG voor bewegingsmonitoring tijdens inspanning en fitness, Kármán vortex-geïnspireerd membraan TENG voor ultralage snelheid windenergie oogst- en stroomdetectie, en een door honingbijen geïnspireerd elektrostatisch manipulatiesysteem voor microdeeltjes.

Wenjian Li voerde zijn onderzoek uit bij het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG), afdeling Advanced Production Engineering, met financiering van het Chinese Scholarship Council. 

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/6ea831a8-9889-4a12-9a48-afb70d21ab7d