Un nanogenerador es un dispositivo compacto que convierte energía mecánica o térmica en electricidad, lo que sirve para recolectar energía para pequeños dispositivos autónomos inalámbricos . Utiliza fuentes de energía ambiental como la solar, la eólica, los diferenciales térmicos y la energía cinética . Los nanogeneradores pueden utilizar la energía ambiental de fondo del entorno, como los gradientes de temperatura del funcionamiento de la maquinaria, la energía electromagnética o incluso las vibraciones de los movimientos.
Hay tres clases de nanogeneradores: piezoeléctricos , triboeléctricos , que convierten la energía mecánica en electricidad, y nanogeneradores piroeléctricos , que convierten la energía térmica en electricidad. [1]
Un nanogenerador piezoeléctrico es un dispositivo de recolección de energía capaz de convertir energía cinética externa en energía eléctrica mediante la acción de un material piezoeléctrico nanoestructurado . Generalmente se usa para indicar dispositivos de recolección de energía cinética que utilizan material piezoeléctrico a escala nanométrica, como en resonadores acústicos masivos de película delgada . [2] [3]
El principio de funcionamiento del nanogenerador se explicará en dos casos diferentes: la fuerza ejercida perpendicular y paralela al eje del nanocable . [4] Cuando una estructura piezoeléctrica se somete a la fuerza externa de la punta móvil, se produce una deformación en toda la estructura. El efecto piezoeléctrico creará un campo eléctrico dentro de la nanoestructura ; la parte estirada con deformación positiva exhibirá un potencial eléctrico positivo, mientras que la parte comprimida con deformación negativa mostrará un potencial eléctrico negativo. Esto se debe al desplazamiento relativo de los cationes con respecto a los aniones en su estructura cristalina. Como resultado, la punta del nanocable tendrá una distribución de potencial eléctrico en su superficie, mientras que la parte inferior del nanocable quedará neutralizada ya que está conectada a tierra. El voltaje máximo generado en el nanocable se puede calcular usando la siguiente ecuación: [5]
,
donde κ 0 es la permitividad en el vacío, κ es la constante dieléctrica, e 33 , e15 y e 31 son los coeficientes piezoeléctricos, ν es la relación de Poisson, a es el radio del nanocable, l es la longitud del nanocable, y ν max es la deflexión máxima de la punta del nanocables.
El contacto Schottky debe formarse entre el contraelectrodo y la punta del nanocables ya que el contacto óhmico neutralizará el campo eléctrico generado en la punta. El nanocable de ZnO con una afinidad electrónica de 4,5 eV, Pt ( φ = 6,1 eV ), es un metal que a veces se utiliza para construir el contacto Schottky. Al construir el contacto Schottky, los electrones pasarán al contraelectrodo desde la superficie de la punta cuando el contraelectrodo esté en contacto con las regiones del potencial negativo, mientras que no se generará corriente cuando esté en contacto con las regiones de potencial negativo. el potencial positivo, en el caso de la nanoestructura semiconductora de tipo n (la estructura semiconductora de tipo p exhibirá el fenómeno inverso ya que en este caso el agujero es móvil).
Para el segundo caso, se considera un modelo con un nanocables crecido verticalmente apilado entre el contacto óhmico en su parte inferior y el contacto Schottky en su parte superior. Cuando la fuerza se aplica hacia la punta del nanocable, se genera la fuerza de compresión uniaxial en el nanocable. Debido al efecto piezoeléctrico, la punta del nanocable tendrá un potencial piezoeléctrico negativo, aumentando el nivel de Fermi en la punta. Dado que los electrones fluirán desde la punta hacia el fondo a través del circuito externo, se generará un potencial eléctrico positivo en la punta. El contacto Schottky impedirá que los electrones sean transportados a través de la interfaz, manteniendo así el potencial en la punta. A medida que se elimina la fuerza, el efecto piezoeléctrico disminuye y los electrones fluirán de regreso a la parte superior para neutralizar el potencial positivo en la punta. El segundo caso generará una señal de salida de corriente alterna. [6]
Dependiendo de la configuración de la nanoestructura piezoeléctrica, el nanogenerador se puede clasificar en 3 tipos: VING, LING y NEG.
VING es una configuración tridimensional que consta de una pila de 3 capas, que son el electrodo base, la nanoestructura piezoeléctrica cultivada verticalmente y el contraelectrodo. La nanoestructura piezoeléctrica generalmente se cultiva en el electrodo base, que luego se integra con el contraelectrodo en contacto mecánico total o parcial con su punta.
El primer VING se desarrolló en 2007 [7] con un contraelectrodo con una rejilla de superficie periódica que se asemeja a las matrices de la punta del AFM como un electrodo móvil. Dado que el contraelectrodo no está en pleno contacto con las puntas del nanocable piezoeléctrico, su movimiento dentro o fuera del plano causado por la vibración externa induce la deformación de la nanoestructura piezoeléctrica, lo que lleva a la generación de la distribución del potencial eléctrico. dentro de cada nanocable individual. El contraelectrodo está recubierto de metal, formando un contacto Schottky con la punta del nanocables. El grupo de Zhong Lin Wang ha generado contraelectrodos compuestos de nanobarras de ZnO. El grupo de Sang-Woo Kim de la Universidad Sungkyunkwan (SKKU) y el grupo de Jae-Young Choi del Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung (SAIT) introdujeron un contraelectrodo transparente en forma de cuenco combinando aluminio anodizado y tecnología de galvanoplastia . [8] También han desarrollado otro tipo de contraelectrodo utilizando nanotubos de carbono de pared simple ( SWNT ) en red. [9]
LING es una configuración bidimensional que consta de tres partes: el electrodo base, la nanoestructura piezoeléctrica de crecimiento lateral y el electrodo metálico para contacto Schottky. En la mayoría de los casos, el espesor de la película del sustrato es mayor que el diámetro de la nanoestructura piezoeléctrica. LING es una expansión del generador de un solo cable (SWG).
NEG es una configuración tridimensional que consta de tres partes principales: los electrodos de placa de metal, la nanoestructura piezoeléctrica cultivada verticalmente y la matriz polimérica, que se rellena entre la nanoestructura piezoeléctrica. NEG fue introducido por Momeni et al. [10] Se ha sugerido una configuración geométrica similar a una tela en la que un nanocable piezoeléctrico crece verticalmente sobre las dos microfibras en su dirección radial y se entrelazan para formar un nanogenerador. [11] Una de las microfibras está recubierta con metal para formar un contacto Schottky, que sirve como contraelectrodo para los VING.
Entre los diversos materiales piezoeléctricos estudiados para el nanogenerador, gran parte de la investigación se ha centrado en materiales con estructura de wurtzita , como ZnO , CdS [12] y GaN . [13] Zhong Lin Wang del Instituto de Tecnología de Georgia introdujo nanocables de ZnO tipo p. [14] A diferencia de la nanoestructura semiconductora de tipo n, la partícula móvil en el tipo p es un agujero, por lo tanto, el comportamiento schottky es inverso al del caso de tipo n; la señal eléctrica se genera a partir de la porción de la nanoestructura donde se acumulan los agujeros.
A partir de la idea de que se sabe que el material con estructura de perovskita tiene características piezoeléctricas más efectivas en comparación con el de estructura de wurtzita, Min-Feng Yu de la Universidad de Illinois en Urbana -Champaign también ha estudiado el nanocables de titanato de bario . [15] Se descubrió que la señal de salida era más de 16 veces mayor que la de un nanocable de ZnO similar . Liwei Lin, de la Universidad de California, Berkeley , ha sugerido que el PVDF también se puede aplicar para formar un nanogenerador. [dieciséis]
En la siguiente tabla se ofrece una comparación de los materiales reportados a partir de 2010:
En 2010, el grupo Zhong Lin Wang desarrolló un sensor de pH o UV autoalimentado integrado con VING con un voltaje de salida de 20 a 40 mV en el sensor. El grupo de Zhong Lin Wang también generó un voltaje de corriente alterna de hasta 100 mV a partir del SWG flexible conectado a un dispositivo para hacer correr a un hámster . [21]
Parte de la nanoestructura piezoeléctrica se puede formar sobre varios tipos de sustratos, como sustratos orgánicos transparentes. Los grupos de investigación de SKKU (grupo de Sang-Woo Kim) y SAIT (grupo de Jae-Young Choi) han desarrollado un nanogenerador transparente y flexible. Su investigación sustituyó un electrodo de óxido de indio y estaño (ITO) por una capa de grafeno . [22]
Un nanogenerador triboeléctrico es un dispositivo de recolección de energía que convierte la energía mecánica en electricidad mediante el efecto triboeléctrico . Fueron demostrados por primera vez por el grupo de Zhong Lin Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia en 2012. [23] [24]
Desde el primer informe de TENG en enero de 2012, la densidad de potencia de salida de TENG ha mejorado, alcanzando 313 W/m 2 , la densidad de volumen alcanza 490 kW/m 3 y eficiencias de conversión de ~60% [25] . Se ha demostrado el 72% [26] . El grupo de Ramakrishna Podila en la Universidad de Clemson también demostró los primeros nanogeneradores triboeléctricos verdaderamente inalámbricos, [27] que eran capaces de cargar dispositivos de almacenamiento de energía (por ejemplo, baterías y condensadores) sin necesidad de amplificación o refuerzo externo. [28]
El nanogenerador triboeléctrico tiene tres modos de funcionamiento básicos: modo de separación de contactos vertical, modo deslizante en el plano y modo de electrodo único. Tienen diferentes características y son adecuados para diferentes aplicaciones.
El cambio periódico en la diferencia de potencial inducido por la separación cíclica y el recontacto de las cargas triboeléctricas opuestas en las superficies internas de las dos láminas. Cuando se aplica agitación mecánica al dispositivo para doblarlo o presionarlo, las superficies internas entrarán en estrecho contacto, dejando un lado de la superficie con cargas positivas y el otro con cargas negativas.
Cuando se libera la deformación, las dos superficies con cargas opuestas se separarán automáticamente, de modo que estas cargas triboeléctricas opuestas generarán un campo eléctrico e inducirán una diferencia de potencial entre los electrodos superior e inferior. Los electrones fluirán de un electrodo al otro a través de la carga externa. La electricidad generada en este proceso continuará hasta que los potenciales de los dos electrodos sean los mismos. Posteriormente, cuando las dos láminas se presionan nuevamente entre sí, la diferencia de potencial inducida por la carga triboeléctrica comenzará a disminuir hasta cero, de modo que las cargas transferidas fluirán de regreso a través de la carga externa para generar otro pulso de corriente en la dirección opuesta.
Mientras dure esta deformación mecánica periódica, las señales de corriente alterna se generarán de forma continua. [29] [30] En cuanto al par de materiales que entran en contacto y generan cargas triboeléctricas, al menos uno de ellos debe ser un aislante para que las cargas triboeléctricas no puedan ser conducidas, sino que permanezcan en la superficie interna de la lámina.
Hay dos procesos básicos de fricción: contacto normal y deslizamiento lateral. Un TENG está diseñado basándose en el deslizamiento en el plano entre las dos superficies en dirección lateral. [31] Con la triboelectrificación por deslizamiento, un cambio periódico en el área de contacto entre dos superficies conduce a una separación lateral de los centros de carga, lo que crea un voltaje que impulsa el flujo de electrones en la carga externa. El mecanismo de separación de carga en el plano puede funcionar en modo de deslizamiento unidireccional entre dos placas [32] o en modo de rotación. [33]
Se presenta un nanogenerador triboeléctrico basado en un solo electrodo como un diseño más práctico para algunas aplicaciones, como los nanogeneradores triboeléctricos accionados con la punta de los dedos. [34] [35] Según la serie triboeléctrica, se inyectaron electrones desde la piel al PDMS ya que el PDMS es más triboeléctricamente negativo que la piel. Cuando las cargas triboeléctricas negativas del PDMS se separan completamente de las cargas positivas inducidas en el electrodo ITO aumentando la distancia de separación entre el PDMS y la piel, no se pueden observar señales de salida.
TENG es un proceso físico de conversión de la agitación mecánica en una señal eléctrica mediante triboelectrificación (en el circuito interno) y procesos de inducción electrostática (en el circuito externo). La recolección de energía de vibración podría usarse para alimentar dispositivos electrónicos móviles. Se ha demostrado que TENG recolecta energía de vibración ambiental basándose en el modo de separación de contactos. [36] Se ha diseñado un nanogenerador triboeléctrico tridimensional (3D-TENG) basado en un modo de hibridación de conjunción entre el modo de separación de contacto vertical y el modo de deslizamiento en el plano.
En 2013, el grupo de Zhonglin Wang informó sobre un nanogenerador triboeléctrico rotativo para recolectar energía eólica . [37] Posteriormente, se han propuesto varios tipos de nanogeneradores triboeléctricos para recolectar energía ambiental, como nanogeneradores triboeléctricos de estructura en espiral 3D para recolectar energía de las olas, [38] nanogeneradores triboeléctricos completamente cerrados aplicados en agua y ambientes hostiles, [39] y multicapa. Nanogeneradores de disco para aprovechar energía hidroeléctrica . [40] Sin embargo, debido a las limitaciones de los modelos de trabajo del nanogenerador, la fricción generada entre las capas del nanogenerador triboeléctrico reducirá la eficiencia de conversión de energía y la durabilidad del dispositivo. Los investigadores han diseñado un nanogenerador triboeléctrico basado en gotas para todo clima que se basa en el efecto de electrificación por contacto entre líquido y sólido para generar electricidad. [41]
El término "sensores autoalimentados" puede referirse a un sistema que alimenta todos los componentes electrónicos responsables de medir el movimiento detectable. Por ejemplo, el codificador triboeléctrico autoalimentado, integrado en un sistema inteligente de polea y correa, convierte la fricción en energía eléctrica utilizable almacenando la energía recolectada en un capacitor y alimentando completamente el circuito, que incluye un microcontrolador y una pantalla LCD. [42]
Un nanogenerador piroeléctrico es un dispositivo de recolección de energía que convierte la energía térmica externa en energía eléctrica mediante el uso de materiales piroeléctricos nanoestructurados. El efecto piroeléctrico consiste en la polarización espontánea en ciertos sólidos anisotrópicos como resultado de la fluctuación de temperatura. [43] El primer nanogenerador piroeléctrico fue introducido por Zhong Lin Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia en 2012. [44]
El principio de funcionamiento de un nanogenerador piroeléctrico puede explicarse por el efecto piroeléctrico primario y el efecto piroeléctrico secundario.
El efecto piroeléctrico primario describe la carga producida en un caso libre de tensión. El efecto piroeléctrico primario domina la respuesta piroeléctrica en PZT , BTO y algunos otros materiales ferroeléctricos . [45] El mecanismo se basa en la oscilación aleatoria inducida térmicamente del dipolo eléctrico alrededor de su eje de equilibrio, cuya magnitud aumenta con el aumento de la temperatura. [46] Debido a las fluctuaciones térmicas a temperatura ambiente, los dipolos eléctricos oscilarán aleatoriamente dentro de un grado desde sus respectivos ejes de alineación.
A una temperatura fija, la polarización espontánea de los dipolos eléctricos es constante. Si la temperatura en el nanogenerador cambia de temperatura ambiente a una temperatura más alta, los dipolos eléctricos oscilarán con un mayor grado de dispersión alrededor de sus respectivos ejes de alineación. De este modo se reduce la cantidad de cargas inducidas en los electrodos, lo que da lugar a un flujo de electrones. Si se enfría el nanogenerador, los dipolos eléctricos oscilan dentro de un ángulo de dispersión menor debido a la menor actividad térmica.
En el segundo caso, la respuesta piroeléctrica obtenida se explica por el efecto piroeléctrico secundario, que describe la carga producida por la deformación inducida por la expansión térmica. El efecto piroeléctrico secundario domina la respuesta piroeléctrica en ZnO , CdS y algunos otros materiales de tipo wurzita . La deformación térmica puede inducir una diferencia de potencial piezoeléctrico a través del material, lo que puede hacer que los electrones fluyan en el circuito externo.
En 2012, Zhong Lin Wang utilizó un nanogenerador piroeléctrico como sensor de temperatura autoalimentado para detectar un cambio de temperatura, donde el tiempo de respuesta y el tiempo de reinicio del sensor son de aproximadamente 0,9 y 3 s, respectivamente. [47]
![{\displaystyle V_{\text{max}}=\pm {\frac {3}{4(\kappa _ {0}+\kappa )}}[e_{\text{33}}-2(1+\ nu )e_{\text{15}}-2\nu e_{\text{31}}]{\frac {a^{3}}{l^{3}}}\nu _{\text{max} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bde98dd2419bf32c32f16fbe03954d299d9846c1)
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