Трибоэлектрические наногенераторы как новая энергетическая технология для автономных систем и активных механических и химических сенсоров

Трибоэлектризация — это эффект, который, вероятно, известен каждому со времен Древней Греции, однако обычно его рассматривают как нежелательное явление и избегают во многих технологиях. Недавно нами был разработан трибоэлектрический наногенератор (TENG), предназначенный для преобразования механической энергии в электричество посредством сочетания трибоэлектризации и электростатической индукции. В этом энергетическом устройстве во внутренней цепи за счет трибоэлектрического эффекта создается разность потенциалов вследствие переноса заряда между двумя тонкими органическими или неорганическими пленками с противоположной трибоэлектрической полярностью; во внешней цепи электроны перемещаются между двумя электродами, прикрепленными к обратным сторонам пленок, чтобы уравновесить потенциал. Поскольку наиболее эффективными материалами для TENG являются органические материалы, устройство также называют органическим наногенератором — первым устройством, использующим органические материалы для сбора механической энергии. В данной статье рассматриваются основы работы TENG в трех основных режимах: режиме вертикального контакта–разделения, режиме плоскопараллельного скольжения и режиме с одним электродом. С момента первой публикации о TENG в январе 2012 года его удельная выходная мощность за 12 месяцев увеличилась на пять порядков. Площадная плотность мощности достигает 313 W/m(2), объемная плотность мощности — 490 kW/m(3), а продемонстрированный коэффициент преобразования составляет приблизительно 60%. TENG может применяться для сбора всех видов механической энергии, доступной, но теряемой в повседневной жизни, включая движения человека, ходьбу, вибрации, механическое воздействие, вращение шин, энергию ветра, движущейся воды и другие источники. Кроме того, TENG может использоваться как автономный сенсор для активного обнаружения статических и динамических процессов, возникающих вследствие механического воздействия, причем для этого применяются соответственно выходные сигналы напряжения и тока TENG; потенциальные области применения включают сенсорные панели и технологии «умной кожи». Для повышения характеристик TENG, помимо широкого выбора материалов в трибоэлектрическом ряду...