Yarn Shaped Functional Nanocomposites For Triboelectric Energy Harvesting Systems

Abstract

Triboelectric Nanogenerators (TENGs) are mechanical to electric energy converters and ideal candidates for exploiting the wasted energy from natural cyclic movements of the human body. In this context, the work of this PhD is focused on the development of Single Electrode Yarn Shaped Triboelectric Generators (Seys-TENGs) through an innovative method of Poly-dimethylsiloxane (PDMS) curing around conductive carbon fiber yarns (CF yarns), named in-situ curing of PDMS. This process promotes the cure of PDMS inside-out through heat gener-ated by an electric current passing through the conductive yarn. A study regarding the precise control over PDMS thickness by varying the curing parameters is presented, and the correla-tion between the device dimensions and the power generation is established. Different strate-gies were adopted to enhance the overall surface charge density, namely, the introduction of porosities into the PDMS matrix, the functionalization of the CFs yarn surface using vertically aligned ZnO nanorods grown by hydrothermal synthesis, loading of PDMS with several amounts of conductive chopped carbon fibers (cCFs) and finally, the introduction of a Cellu-lose Nanocrystal (CNC) interlayer on the Seys-TENG structure. The best results were obtained using the strategy of mixing cCFs in the PDMS matrix, exploring the enhancement effect pro-vided by polarization at interfaces of conductive particles and the polymer. The optimized loading of 2 % wt. cCFs into the PDMS and in-situ curing using 0.2 A for 4 min resulted in Seys-TENGs with a diameter of 2.16 mm. A maximum power density of 1063.23 μW/m was obtained (using a loading resistor of 20 MΩ) which corresponds to an increase of 53 % com-pared with the Smooth Seys-TENG.

Os Nanogeradores Triboelétricos (TENGs) são conversores de energia mecânica para elétrica e os candidatos ideais para aproveitar a energia “desperdiçada” dos movimentos cíclicos na-turais ao corpo humano. Nesse contexto, o trabalho deste PhD consistiu no desenvolvimento de TENGs em formato de fio e compostos por um único elétrodo (Seys-TENGs) através de um método inovador de cura de Polidimetilsiloxano (PDMS) ao redor de fios condutores de fibra de carbono (fios de CF), denominado de cura in-situ de PDMS. Esse processo promove a cura do PDMS de dentro para fora através de calor gerado por uma corrente elétrica que passa pelo fio condutor. Foi feito um estudo sobre o controle preciso da espessura do PDMS variando os parâmetros de cura, e foi feita a correlação entre as dimensões do dispositivo e a geração de energia. Foram adotadas diferentes estratégias para aumentar a densidade de carga superficial dos Seys-TENGs: a introdução de porosidades na matriz de PDMS, a funcionalização da su-perfície dos fios de CF usando nanorods de ZnO alinhados verticalmente e crescidos por síntese hidrotermal, adicionado fibras de carbono cortadas (cCFs) em várias proporções ao PDMS e, finalmente, a intercalação de Nanocristais de Celulose (CNC) na estrutura do Seys-TENG. Os melhores resultados foram obtidos através da introdução de cCFs na matriz de PDMS, explo-rando assim o efeito da polarização nas interfaces entre as partículas condutoras e o polímero. A proporção otimizada de 2% em peso de cCFs no PDMS, seguida da cura in-situ usando uma corrente de 0.2 A durante 4 minutos, resultou em Seys-TENGs com um diâmetro de 2.16 mm. Foi obtida uma potência linear máxima de 1063,23 μW/m (usando uma resistência de carga 20 MΩ), o que correspondeu a um aumento de 53 % em comparação com o Seys-TENG de referência.