Flexible Generatoren verwandeln Bewegung in Energie

Der Postdoc-Forscher der Rice University, Michael Stanford, hält einen Flip-Flop mit einem triboelektrischen Nanogenerator, der auf laserinduziertem Graphen basiert und an der Ferse befestigt ist. Das Gehen mit dem Flip-Flop erzeugt Strom mit wiederholtem Kontakt zwischen dem Generator und der Haut des Trägers. Stanford verdrahtete das Gerät, um Energie auf einem Kondensator zu speichern.
Tragbare Geräte, die Energie aus Bewegung gewinnen, sind keine neue Idee, aber ein an der Rice University entwickeltes Material kann sie praktischer machen.

Das Reislabor des Chemikers James Tour hat laserinduziertes Graphen (LIG) in kleine, metallfreie Geräte zur Stromerzeugung umgewandelt. Wie das Reiben eines Ballons auf Haaren, erzeugt das Kontaktieren von LIG-Verbundwerkstoffen mit anderen Oberflächen statische Elektrizität, die zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden kann. Dies resultiert aus dem triboelektrischen Effekt, durch den Materialien durch Kontakt eine Ladung sammeln. Wenn sie zusammengesetzt und dann auseinandergezogen werden, bilden sich Oberflächenladungen, die in Richtung Stromerzeugung geleitet werden können.

In Experimenten verbanden die Forscher einen gefalteten Streifen LIG mit einer Reihe von Leuchtdioden und fanden heraus, dass das Anzapfen des Streifens genügend Energie produzierte, um sie zum Blinken zu bringen. Ein größeres Stück LIG, das in einen Flip-Flop eingebettet ist, lässt den Träger bei jedem Schritt Energie erzeugen, da der wiederholte Kontakt des Graphenverbunds mit der Haut genügend Strom erzeugt, um einen kleinen Kondensator zu laden.

„Dies könnte eine Möglichkeit sein, kleine Geräte aufzuladen, indem man einfach die überschüssige Energie von Fersenschlägen beim Gehen oder Schwenkarmbewegungen gegen den Oberkörper nutzt“, sagte Tour.

LIG ist ein Graphenschaum, der entsteht, wenn Chemikalien mit einem Laser auf der Oberfläche eines Polymers oder eines anderen Materials erhitzt werden, wobei nur miteinander verbundene Flocken aus zweidimensionalen Kohlenstoff übrig bleiben. Das Labor stellte LIG zunächst auf herkömmlichem Polyimid her, erweiterte die Technik aber auf Pflanzen, Lebensmittel, behandeltes Papier und Holz.

Sie verwandelten Polyimid, Kork und andere Materialien in LIG-Elektroden, um zu sehen, wie gut sie Energie produzierten und dem Verschleiß standhielten. Die besten Ergebnisse erzielten sie mit Materialien an den gegenüberliegenden Enden der triboelektrischen Reihe – was ihre Fähigkeit zur Erzeugung statischer Aufladung durch Kontaktelektrifizierung quantifiziert.

In der Falzkonfiguration wurde LIG aus dem tribo-negativen Polyimid mit einer Schutzschicht aus Polyurethan besprüht, die gleichzeitig als tribo-positives Material diente. Beim Zusammenführen der Elektroden wurden Elektronen aus dem Polyurethan auf das Polyimid übertragen. Nachfolgende Kontakte und Trennungen führten zu Ladungen, die über eine externe Schaltung gespeichert werden konnten, um die aufgebaute statische Ladung wieder auszugleichen.

Das Falt-LIG erzeugte etwa 1 Kilovolt und blieb nach 5.000 Biegezyklen stabil.

Die beste Konfiguration, mit Elektroden aus dem Polyimid-LIG-Verbund und Aluminium, erzeugte Spannungen über 3,5 Kilovolt mit einer Spitzenleistung von mehr als 8 Milliwatt. Der in einen Flip-Flop eingebettete Nanogenerator konnte nach einem 1-Kilometer-Lauf 0,22 Millijoule elektrische Energie auf einem Kondensator speichern.

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