Die meisten von uns haben den Schock durch statische Elektrizität gespürt, als sie einen metallischen Gegenstand berührten, nachdem sie einen Pullover angezogen oder über einen Teppich gegangen waren. Dies geschieht durch Aufladung, wenn zwei unterschiedliche Materialien (wie unser Körper und der Stoff) miteinander in Kontakt kommen.
2012 nutzten Wissenschaftler aus den USA und China dieses als „triboelektrischer Effekt“ bekannte Phänomen, um einen triboelektrischen Nanogenerator (TENG) zu bauen, der ungenutzte mechanische Energie in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Ihr Gerät bestand aus zwei triboelektrischen Polymerfilmen mit metallischen Elektroden, die, wenn sie zusammengebracht und getrennt wurden, zu einer Ladungstrennung und der Entwicklung einer elektrischen Spannung führten, die ausreichte, um kleine elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.
Als potenzielle nachhaltige Energiesammler angesehen, wurden Anstrengungen unternommen, um die Leistungsabgabe von TENGs zu verbessern, indem Ladungen auf die Oberfläche triboelektrischer Filme injiziert wurden. Ladungsrekombination in der Elektrode und Ladungsabstoßung an der Oberfläche des Materials hindern sie jedoch daran, hohe Oberflächenladungsdichten zu erreichen.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Chanho Pak vom Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) in Südkorea in einer kürzlich durchgeführten Studie eine Ladungsbegrenzungsschicht entwickelt, die die Übertragung injizierter Ladungen zwischen dem triboelektrischen Film verwaltet und die Elektrode, um die Ladungsdichte auf der Oberfläche des triboelektrischen Films zu verbessern. Dieses Papier wurde veröffentlicht in Kleine Methoden.
„Beim Design von Hochleistungs-TENGs ist es entscheidend, die Ladung auf der Oberfläche in eine tiefe Position zu transportieren und gleichzeitig die Ladungsrekombination zu reduzieren“, sagt Prof. Pak. Zur Herstellung der Schichten verwendeten die Forscher elektrogesponnene mesoporöse Kohlenstoffkugeln zusammen mit Schichten aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Nylon. Die Kohlenstoffkugeln, die Ladungen auf der Oberfläche einfangen, wurden in aufsteigender Reihenfolge ihrer spezifischen Oberflächen angeordnet, wodurch eine Gradienten-Ladungsbegrenzungsschicht entstand. Als Ergebnis dieser Gradientenanordnung konnten die injizierten Ladungen in Richtung der Elektrode abdriften, wurden aber kurz vor Erreichen derselben eingeschlossen. „Die Schichten transportieren und begrenzen die Ladungen“, erklärt Prof. Pak.
Indem die Ladungen von der Oberfläche wegtransportiert werden, verhindern die Schichten, dass sich injizierte Ladungen auf der Oberfläche des triboelektrischen Materials ansammeln und gegenseitig abstoßen, sodass es mehr Ladung halten kann. Außerdem verhindert das Einschließen der Ladungen in der Nähe der Elektroden einen Ladungsverlust aufgrund von Rekombination, was zu einer triboelektrischen Oberfläche mit einer höheren Ladungsdichte führt.
Durch das Hinzufügen von ladungsbegrenzenden Schichten verbesserten die Forscher die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des TENG um das 40- bzw. das Siebenfache. Darüber hinaus erzielten sie durch die Kombination eines zylindrischen TENG und eines elektromagnetischen Generators eine dramatische 1300-fache Steigerung des Ausgangsstroms.
„Mit diesen vielversprechenden Ergebnissen könnten TENGs eines Tages leistungsfähig genug sein, um als nachhaltige Energiesammler sowie als tragbare Geräte der Zukunft zu dienen“, sagt Prof. Pak.
Seokjun Cha et al., Steuerbare triboelektrische Reihe unter Verwendung von Gradientenschichten mit positiver und negativer Ladungseingrenzung mit unterschiedlichen Partikelgrößen von mesoporösen Kohlenstoffmaterialien, Kleine Methoden (2022). DOI: 10.1002/smtd.202101545
Bereitgestellt von GIST (Gwangju Institute of Science and Technology)