Boosting the Power and Lowering the Impedance of Triboelectric Nanogenerators through Manipulating the Permittivity for Wearable Energy Harvesting

摩擦电效应 能量收集 材料科学 驻极体 阻抗匹配 电阻抗 电容 功率密度 功率(物理) 输出阻抗 电气工程 光电子学 工程类 电介质 物理 电极 化学 物理化学 量子力学 复合材料
作者
Hai Lu Wang,Zi Hao Guo,Guang Zhu,Xiong Pu,Zhong Lin Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 7513-7521 被引量:128
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c00914
摘要

Triboelectric nanogenerators (TENGs), which hold great promise for sustainably powering wearable electronics by harvesting distributed mechanical energy, are still severely limited by their unsatisfactory power density, small capacitance, and high internal impedance. Herein, a materials optimization strategy is proposed to achieve a high performance of TENGs and to lower the matching impedance simultaneously. A permittivity-tunable electret composite film, i.e., a thermoplastic polyurethane (TPU) matrix with polyethylene glycol (PEG) additives and polytetrafluoroethylene (PTFE) nanoparticle inclusions, is employed as the triboelectric layer. Through optimizing the dielectric constant of the composite, the injected charge density and internal capacitance of the TENG are significantly enhanced, thus synergistically boosting the output power and reducing the impedance of the TENG. The optimal output power reaches 16.8 mW at an external resistance of 200 kΩ, showing a 17.3 times enhancement in output power and a 90% decline in matching impedance. This work demonstrates a significant progress toward the materials optimization of a triboelectric generator for its practical commercialization.
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