Feuchte Umgebungen stärken dieses 3D-gedruckte Energiedevice

Luftfeuchtigkeit tötet normalerweise die statische Elektrizität – aber nicht immer. In trockener Luft kann eine geladene Oberfläche Energie für Minuten speichern.

Fügt man Feuchtigkeit hinzu, verschwindet diese Ladung fa Luftfeuchtigkeit tötet normalerweise die statische Elektrizität – aber nicht immer. In trockener Luft kann eine geladene Oberfläche Energie für Minuten speichern.

Fügt man Feuchtigkeit hinzu, verschwindet diese Ladung fast augenblicklich, da dünne Wasserschichten entstehen und sie leise ableiten.

Leistung und Energieausbeute

Diese grundlegende Eigenschaft des Wassers hat die Leistung von triboelektrischen Nanogeneratoren oder TENGs lange Zeit begrenzt.

Diese Geräte erzeugen Strom, wenn zwei verschiedene Materialien in Kontakt kommen und sich dann trennen, wobei sie kurzzeitig Ladung austauschen. Sie wurden weithin als potenzielle Energiequelle für tragbare Sensoren und implantierbare medizinische Geräte angesehen.

Allerdings sinkt ihre Effizienz typischerweise stark, sobald die Luftfeuchtigkeit über 60–70 Prozent steigt – eine ernste Einschränkung, da menschlicher Körper und viele reale Umgebungen diese Werte regelmäßig überschreiten.

Wärmespeicherung im Material

Überdenken der Luftfeuchtigkeit durch Umwandlung von Wasser in eine Energiequelle Jahrelang haben Forscher versucht, TENGs vor Feuchtigkeit zu schützen, indem sie ihre Oberflächen wasserabweisend machten oder sie in Schutzgehäuse versiegelten.

Obwohl sie bis zu einem gewissen Grad wirksam sind, erhöhen diese Korrekturen die Designkomplexität und haben Schwierigkeiten, auf die komplexen 3D-Strukturen zu skalieren, die moderne tragbare und implantierbare Geräte erfordern, berichtet Nanowerk. Eine neuere Strategie geht in die entgegengesetzte Richtung: Anstatt Wasser zu widerstehen, nimmt sie es an.

Durch die Gestaltung der Triboschicht als stark hydrophil kann die eingeschlossene Feuchtigkeit die Ladungserzeugung aktiv unterstützen, anstatt sie zu dissipieren. Die Herausforderung bestand darin, dieses Konzept in ein Material zu übertragen, das sowohl druckbar als auch in der Lage ist, eine konsistente, hohe Leistung zu erbringen.

Eine neue Studie in Advanced Functional

Eine neue Studie in Advanced Functional Materials stellt ein Material vor, das entwickelt wurde, um mit Luftfeuchtigkeit zu arbeiten und nicht dagegen.

Die Forscher entwickelten ein photocurables Harz, das mithilfe von LCD 3D-Druck in feine, komplexe Strukturen geformt werden kann.

Was es auszeichnet, ist seine Chemie: Das Polymernetzwerk ist mit polaren Gruppen gefüllt, die Wassermoleküle anziehen und binden. Anstatt die Leistung zu mindern, verbessert diese eingebaute Feuchtigkeitsabsorption sie.

Mit steigender Luftfeuchtigkeit erzeugen die resultierenden

Mit steigender Luftfeuchtigkeit erzeugen die resultierenden Filme einen stärkeren Ausgang, wodurch eine langjährige Einschränkung von triboelektrischen Nanogeneratoren zu einem funktionalen Vorteil wird. Geladene Polymere helfen Nanogeneratoren, bei hoher Luftfeuchtigkeit zu gedeihen.

Anstatt nur ein Material zu testen, verglichen die Forscher drei Acrylpolymeren, die jeweils mit Polyethylenglykol-Diacrylat vernetzt und zu dünnen Filmen von etwa 200 Mikrometern Dicke geformt wurden. Diese Materialien enthalten chemische Gruppen (Carboxyl, Hydroxyl und Amid), die leicht mit dem Wasser in der Luft binden.

Von ihnen stach die Amid-basierte Version heraus und lieferte die stärkste Leistung, wobei der Ausgang auch dann weiter anstieg, als die Luftfeuchtigkeit 90 Prozent erreichte. Das Team erweiterte dann das Konzept.

Sie führten eine zwitterionische Komponente, Sulfobetainmethacrylat,

Sie führten eine zwitterionische Komponente, Sulfobetainmethacrylat, ein, das sowohl positive als auch negative Ladungen innerhalb desselben Moleküls enthält. Diese Struktur erhöht die Polarisation und zieht noch mehr Wasser an, was die Fähigkeit des Materials stärkt, unter feuchten Bedingungen Strom zu erzeugen.

Die beste Leistung wurde bei 5 Gew.-% erzielt, bei der das Gerät bei 90 % Luftfeuchtigkeit 45,6 Mikroampere, 802 Volt und 48,4 W/m² erreichte – etwa doppelt so viel Leistung wie frühere Designs, ohne anorganische Füllstoffe und dennoch vollständig druckbar.

Bei 10 % sank die Leistung, da überschüssige Ionen Cluster bildeten, was die Leitfähigkeit erhöhte und zu Ladungsleckagen führte. Der Schlüssel liegt darin, die Polarisationsgewinne gegen diese Verluste abzuwägen.

Darüber hinaus zeigten Simulationen, dass Wasser fest an dem Polymer bindet und so die Dipolstärke erhöht, während die Raman-Spektroskopie bestätigte, dass Wasser strukturiert bleibt und keine leitfähigen Filme bildet, wodurch die Ausgangsleistung mit zunehmender Luftfeuchtigkeit ansteigen kann.