مبدل انرژي هيبريدي تريبو-پيزوالكتريك از پارچه پشمي و لايه نانوالياف PVDF/BaTiO3

Hybrid Pizo-Triboelectric Energy Nanogenerator from Woollen fabric and PVDF/BaTiO3 Nanofibrous Layer

برداشت انرژي هاي هدر رفتني با كمك مبدل هاي انرژي مكانيكي به الكتريكي با توجه به معضل جهاني انرژي، از جمله رويكردهاي نوين در توسعه محصولات ميكروالكترونيك مبتني بر سازوكار پيزوالكتريك و تريبوالكتريك ميباشد. در اين مقاله تركيب هاي مختلفي از مبدل هاي اليافي شامل نانوالياف PVDF و نانوالياف كامپوزيتي PVDF/BaTiO3 با لايه هاي پشمي با سه نوع بافت حلقوي پودي و الياف پشم شانه شده، باتوجه به جايگاه مناسب ماده پشم و PVDF در گروه مواد تريبوالكتريك، در نظر گرفته شد. ميزان ولتاژ الكتريكي خروجي حاصل از تماس- جدايش تريبوالكتريك بر واحد سطح مبدل جهت ارزيابي خواص نمونه هاي توليد شده و مقايسه آنها با مبدل هاي تك لايه اندازه گيري شد. همچنين نحوه ي چيدمان بهينه لايه ها مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج حاصل از بررسي ها نشان داد كه بهترين چيدمان لايه اي تريبوالكتريك در يك نيروي مشخص با ساختار كمان شكل حاصل شده و مقدار بالاترين خروجي (V/cm2)35/4 قابل دسترس ميباشد. در حالي كه خروجي لايه ي پيزوالكتريكPVDF به تنهايي در بهترين لايه ي تركيبي آزمايش شده در نمونه هاي تريبوالكتريك به مقدار(mV/cm2) 0/475 ميباشد. بر اساس نتايج بدست آمده، ساخت مبدل ها به صورت هيبريدي با ساختار معرفي شده در اين پژوهش مي تواند در ازاي اعمال نيروي يكسان، خروجي مبدل تريبوالكتريك را نسبت به لايه ي مبدل پيزوالكتريك PVDF/BaTiO3، بيش از 9000 برابر افزايش دهد. ساختار معرفي شده مي تواند به عنوان گامي موثر در راستاي توسعه مواد پيشرفته براي توسعه محصولات ميكروالكترونيك خودشارژشونده و قابل پوشيده شدن مورد استفاده قرار گيرد.

Harvesting of wasted energies using mechanical to electrical energy nanogenerators has become a major branch of energy research area due to the global energy concerns. Piezoelectric and triboelectric mechanisms are between the two most widely used methods in this field. In this study, different combinations of fibrous nanogenerators including PVDF nanofibers and PVDF / BaTiO3 composite nanofibers with wool fabrics consist of three types of weft knitted fabric and combed wool fibers were prepared, due to their promising position in the triboelectric series. Different configuration of layers were also set to optimize the layer composition for the best electrical output. The electrical output voltage per unit area of different samples were measured after the contact - separation mode of electrification for each sample. Results showed that the arc-shape layer deposition has the best triboelectric layer arrangement to achieve the optimized electrical output at a specified force with the highest output value of 4.35(V/cm2), where the output of PVDF piezoelectric layer was only 0.475(mV/cm2). For a given force, the output of the triboelectric nanogenerator was more than 9000 times higher than that of the pure PVDF/BaTiO3 piezoelectric nanogenerator. These results teach us a first step towards the fabrication of self-chargeable wearable microelectronic devices.