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Un fenómeno de recolección de energía no reconocido que recientemente ha atraído más investigación en la industria de los dispositivos portátiles es la triboelectricidad, o electricidad a pequeña escala generada a través del contacto y movimiento entre materiales, en esencia, fricción.
Como solución autoamplificada, los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) se han convertido en una solución cada vez más atractiva para los diseñadores integrados en el espacio de IoT porque convierten la energía mecánica en electricidad.

Una descripción de alto nivel de las diferentes aplicaciones de los nanogeneradores. Imagen utilizada cortesía de Indra et al. y MDPI

Como ejemplo de un caso de uso reciente, investigadores universitarios de Alfred State desarrollaron TENG para máscaras y dispositivos portátiles en general que utilizan actuadores magnéticos. ¿De qué otra manera los TENG se muestran prometedores para las futuras tecnologías de recolección de energía?

¿Qué son los nanogeneradores triboeléctricos (TENG)?

En 2012, investigadores de Georgia Tech y la Universidad de Xiamen, China, descubrieron los TENG y crearon un generador triboeléctrico (TEG). Este dispositivo depende del principio de inducción electrostática, que convierte diversas energías mecánicas en electricidad. Los TENG pueden recolectar energía para la electrificación al caminar, la vibración, el movimiento humano, el viento, los neumáticos en rotación y el agua que fluye.

Un esquema de un TEG. Imagen utilizada cortesía de Fan et al.

Tipos de fricción: separación de contactos y deslizamiento
Los TENG tienen dos modos principales de funcionamiento: separación de contactos y deslizamiento.
El modo de separación por contacto implica que dos partes del TENG entren en contacto entre sí y se separen. Estas piezas están hechas de diferentes materiales que intercambian cargas eléctricas, dejándolas con diferentes potenciales eléctricos. Este proceso da como resultado un flujo de corriente entre los electrodos colocados en la parte posterior de cada una de las piezas.
El modo deslizante implica que los dos materiales se deslizan uno sobre el otro para producir cargas en las superficies. Al igual que la separación por contacto, estos potenciales eléctricos diferentes hacen que la corriente fluya entre los electrodos en la parte posterior de los dos materiales.

Los dos modos principales de los TENG: a) separación de contacto vertical yb) deslizamiento lateral. Imagen utilizada cortesía de Zheng et al.

Materiales TENG
El rendimiento de los TENG depende del material utilizado para desarrollarlos; diferentes materiales tienen diferentes cargas triboeléctricas. El principio de superposición del potencial eléctrico implica que el voltaje y la corriente de salida se ven afectados por la densidad de cargas triboeléctricas.
Los materiales utilizados para desarrollar TENG deben producir cargas triboeléctricas fácilmente y tener diferente polarización triboeléctrica. Los TENG a menudo se crean a partir de politetrafluoroetileno (PTFE), poliamida, fluoruro de polivinilideno (PVDF) y materiales de seda.

Aplicaciones prácticas de la triboelectricidad

Debido a los beneficios triboeléctricos y de recolección de energía de los TENG, los investigadores han estado poniendo a prueba esta tecnología en una serie de aplicaciones integradas, en particular aquellas que involucran sensores autoamplificados.

Sensores inalámbricos
La triboelectricidad se puede utilizar para crear sensores autoamplificados conocidos como sensores triboeléctricos (TES). En 2014, los investigadores chinos se asociaron con investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia para desarrollar un "sensor táctil autoalimentado, ultrasensible y flexible basado en la electrificación por contacto".
La arquitectura del TES estaba intercalada en varias capas: en la parte superior había una capa de etileno propileno fluorado (FEP) modificado por nanocables de polímero. Luego vino una estructura de tres capas: una capa de tereftalato de polietileno (PET) y dos capas transparentes de óxido de indio y estaño (ITO). Finalmente, la capa inferior se hizo con una película de nailon.

Un diagrama de a) las capas del sensor TES, b) los nanocables de polímero yc) el sensor TES fabricado. Imagen utilizada cortesía de Zhu et al.

El TES generó los correspondientes 35 V cuando se aplicaron 20 mN de fuerza. Los investigadores también encontraron que el voltaje de salida podría compensar una alarma de sirena si el TES se integraba con un circuito de procesamiento de señal (que fue, de hecho, un experimento demostrado en el estudio).

Monitoreo biomecánico
Los TENG también son un punto de interés en el monitoreo biométrico de la salud. Este año, algunos de los mismos investigadores de la Universidad de Guangxi, la Academia de Ciencias de China y el Instituto de Tecnología de Georgia desarrollaron un sensor portátil inteligente (SWS) para el monitoreo de la salud utilizando TENG.
Su SWS consiste en una película de nanocables de PTFE y una bola de hierro (Fe) moldeada en un anillo acrílico con electrodos de cobre, que se pueden colocar sobre la ropa. El movimiento de la bola de Fe dentro de la capa de PTFE hace que los electrodos debajo del PTFE produzcan una distribución de carga desigual.
Por lo tanto, la transferencia de electrones entre electrodos es necesaria para equilibrar la distribución de potencial local y generar una corriente correspondiente al movimiento de la bola de Fe.

Un diagrama de a) las capas del SWS yb) el SWS físico. Imagen utilizada cortesía de Li et al. y MDPI

El equipo de investigación estudió su sensor en escenarios médicos, como un sistema de alarma de caída y monitoreo del sueño. Utilizado en conjunto con otros componentes, el SWS pudo enviar y analizar información biométrica en estos escenarios.
Aunque esta es solo una de las muchas formas de TENG, queda la pregunta de si los TENG y las tecnologías triboeléctricas irán más allá del ámbito de la investigación.

Las oportunidades y desafíos de los TENG

Las tecnologías de recolección de energía como las células solares, los nanogeneradores piezoeléctricos y las células termoeléctricas están en aumento, y parece que los TENG pueden ser otra tecnología más para unirse al grupo. Los defensores de TENG afirman que estos dispositivos se pueden emparejar con otros generadores de energía o recolectores de energía para un sistema híbrido, mejorando el rendimiento y la estabilidad de la salida.
Los TENG presentan una alta eficiencia de conversión de energía, fácil fabricación, bajo costo y alta densidad de potencia. Sin embargo, los TENG tienen su parte de desafíos técnicos.
Por ejemplo, los TENG no son adecuados para aplicaciones de alto rendimiento. También son propensos al desgaste, aunque materiales como el grafeno, los nanotubos de carbono y la tinta nano-Ag pueden mejorar el rendimiento y la durabilidad si se incorporan en futuros diseños de TENG. Los TENG también necesitan un embalaje adecuado que pueda protegerlos de los factores ambientales.
A medida que los estudios futuros revelen soluciones a estos desafíos triboeléctricos, es posible que los TENG se conviertan en un eje común en los futuros sistemas integrados autoamplificados.

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