Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. MÁY PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT - TENG 1. Sự ra đời và phát triển TENG Trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, với sự xuất hiện của Internet vạn vật (IoT), mạng cảm biến không dây (WSN) và trí tuệ nhân tạo (AI), nhu cầu về những thiết bị có độ linh động cao và tự cấp nguồn nhận được nhiều quan tâm [1,2]. Nhiều công nghệ chuyển đổi-thu năng lượng đã được áp dụng vào cuộc sống nhưng vẫn chưa thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người.
Vì vậy, việc tìm kiếm những công nghệ nhân tạo mới luôn là thách thức to lớn. Ngoài ra, đến cuối năm 2025, dự kiến sẽ có khoảng 70 tỷ thiết bị được kết nối internet, như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và thiết bị IoT. Điều này không chỉ gây ra vấn đề về quản lý chất thải điện tử (rác thải điện tử) mà còn làm tăng nhu cầu về nguồn điện. Bên cạnh đó, sự tăng trưởng nhanh chóng trong tiêu thụ năng lượng toàn cầu, việc sử dụng quá mức nhiên liệu hóa thạch làm trầm trọng thêm các vấn đề về môi trường và năng lượng của thế giới.
Về vấn đề này, việc tìm kiếm năng lượng xanh và tái tạo là rất quan trọng cho sự phát triển bền vững của xã hội loài người. Hàng chục năm gần đây, việc phát minh các thiết bị sử dụng công nghệ năng lượng mới dựa trên hiệu ứng của quang điện [3], nhiệt điện [4] [5] và điện ma sát [6] luôn là xu thế đi đầu trên thế giới. So với năng lượng mặt trời và năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh, năng lượng cơ sinh học sẵn có hơn nhiều trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, không phụ thuộc vào cả môi trường và thời tiết, khiến nó trở thành nguồn năng lượng tái tạo hấp dẫn cho các thiết bị điện tử đeo được [7]. Do đó, việc thiết lập một hệ thống tự cấp nguồn có khả năng cung cấp điện liên tục cho các thiết bị điện tử đeo được bằng cách chuyển đổi nhiều dạng khác nhau của năng lượng cơ sinh học thành năng lượng điện có thể là một giải pháp năng lượng ưu việt trong kỷ nguyên IoT.
Năm 2012, Wang và cộng sự đã phát triển TENG (hình 1.1), có thể chuyển đổi rất hiệu quả các dạng năng lượng cơ học xung quanh thành năng lượng điện bằng cách tuân theo các nguyên tắc tác động kết hợp của cảm ứng tĩnh điện và điện khí hóa tiếp xúc [8]. Máy phát điện nano ma sát (TENG) [8]. TENG được coi là một kỹ thuật độc đáo và tiết kiệm chi phí để thu hoạch năng lượng điện ma sát và các thiết bị TENG sẽ trở thành công cụ chính trong lĩnh vực năng lượng xanh và tái tạo, cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác, như năng lượng mặt trời, gió và nước. Thiết bị này tái chế và khai thác hiệu quả năng lượng cơ học để phát điện và có những lợi thế to lớn khi ứng dụng vào các cảm biến tự cấp nguồn [9].
Nhiều hệ thống khác nhau dựa trên TENG đã chứng minh tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo từ gió, mưa, sóng và rung động, có thể được sử dụng để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch [10,11]. TENG được báo cáo có dải công suất đầu ra trong khoảng 0,1– 100 mW/m2, dòng điện ngắn mạch (Isc) là 10 mA, điện áp mạch hở (Voc) là 500 V, mật độ điện tích 1020 μC m− 2, mật độ công suất diện tích (PD) là 500 W m−2, công suất thể tích là 15 MW m− 3 và hiệu suất chuyển đổi tức thời ≈ 70% [12,13]. So với các công nghệ thu năng lượng khác, TENG có rất nhiều lợi thế như điện áp đầu ra rất cao, hiệu suất đầu ra lớn, trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ, linh hoạt và có thể được chế tạo bằng cách sử dụng một hay nhiều loại vật liệu. Đặc biệt TENG cho thấy hiệu quả cao khi vận hành ở mức tần số thấp, làm cho TENG trở thành một trong những bộ phận nguồn năng lượng quan trọng cho các thiết bị tự cấp nguồn sử dụng trong y học [14].
Với ưu điểm có thể đạt hiệu quả cao tại tần số thấp, TENG đã được đề xuất như một giải pháp năng lượng khả thi cho các thiết bị điện tử cầm tay hoặc đeo trên người trong tương lai và cho IoT, bao gồm hàng tỷ thiết bị phân tán với yêu cầu năng lượng từ microwatt đến milliwatt [15]. Do đó, chúng được định hướng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phân tán và công nghệ năng lượng di động, chẳng hạn như theo dõi chuyển động, sinh lý theo dõi, phục hồi y tế, robot hình người thông minh và tương tác giữa người và máy tính [16,17] (Hình 1.2: Ứng dụng tiềm năng của TENG [16,17]. Năm 2017, nhóm nghiên cứu của Đại học Công nghệ Thiên Tân (Trung Quốc) đã chế tạo thành công hai điện cực ethyl cellulose và thép không gỉ 317 L để ứng dụng trong công nghệ TENG, tạo ra điện áp 150 V, dòng điện ngắn mạch 50 μA, có thể thắp sáng 18 bóng đèn LED [5][18]. Năm 2018, Zong - Hong Lin và các đồng nghiệp đã phát triển cảm biến mồ hôi, cảm biến độ ẩm là TENG gồm điện cực dương chitosan - glycerol và điện cực âm Teflon (PTFE).
Kết quả khảo sát cho thấy khi độ ẩm tăng thì điện áp đầu ra giảm. Vì vậy, người dùng có thể chẩn đoán tình trạng sức khoẻ bằng cảm biến qua sự đổ mồ hôi. Những người chơi thể thao có thể tối ưu hiệu suất thi đấu với cảm biến độ ẩm được gắn trong giày [16]. Năm 2021, Zhao và các cộng sự đã thử nghiệm TENG để theo dõi tim.
Các thiết bị được gắn ở nhiều vị trí động mạch để theo dõi bằng sóng xung và phân tích cơ sinh học. Sự co và giãn của tim định kỳ sẽ kích hoạt các lớp ma sát của TENG, tạo ra điện áp 14 V và dòng điện 5A [19]. Nguyên lý hoạt động của TENG Cơ chế hoạt động của TENG là sự kết hợp giữa hai hiện tượng đó là hiện tượng nhiễm điện tiếp xúc và hiện tượng cảm ứng tĩnh điện [20]. Trong ma sát học, nghiên cứu về ma sát và mài mòn giữa các bề mặt, sự tạo ra điện tích do biến dạng cơ học, đều có thể đóng vai trò trong hiệu ứng điện ma sát, nhưng chúng không phải là cơ chế chính gây ra hiện tượng này.
Thay vào đó, sự kết hợp giữa điện khí hóa tiếp xúc và cảm ứng tĩnh điện dẫn đến hiệu ứng ma sát điện [21]. Hiệu ứng ma sát điện (Triboelectric Effect) là hiện tượng điện tích được tạo ra khi hai vật liệu khác nhau tiếp xúc và tách ra khỏi nhau. Khi hai vật liệu này tiếp xúc và chạm vào nhau, các electron có thể chuyển đổi từ một vật liệu sang vật liệu còn lại, các bề mặt bị tách ra có thể tích điện dương hoặc tích điện âm. Tiếp xúc với bề mặt tích điện trái dấu có thể gây ra hiện tượng phóng điện.
Do 6 đó, điện ma sát là sự tạo ra điện giữa hai vật liệu khác nhau do va chạm giữa chúng, tạo ra dòng điện tử cao chạy qua các vật liệu và duy trì hiệu điện thế. Điện khí hoá tiếp xúc là hiện tượng mà điện tích được tạo ra khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau và sau đó tách ra. Khi đó, các electron có thể chuyển từ vật liệu này sang vật liệu khác, gây ra sự phân cực điện tích giữa chúng [22]. Bản chất của quá trình điện hóa là sự truyền electron giữa hai vật liệu tiếp xúc vật lý.
Hướng truyền electron phụ thuộc vào sự khác biệt về ái lực electron của hai vật liệu. Vật liệu có ái lực electron cao hơn sẽ thu hút electron từ vật liệu kia, khiến nó trở thành chất nhận electron, vật liệu còn lại là chất cho electron. Ở mạch bên trong, điện thế được tạo ra bằng cách truyền điện tích giữa hai màng hữu cơ/vô cơ mỏng có phân cực ngược nhau và ở mạch ngoài, các electron di chuyển giữa hai điện cực gắn ở mặt sau của màng để cân bằng điện thế. Hiệu ứng ma sát điện đã mở đường cho sự phát triển máy phát điện ma sát trong năm 2012 tại Viện Công nghệ Georgia [23].
Trong thập kỷ qua, các nhà khoa học đã cố gắng phát triển một thiết bị có thể khai thác năng lượng này và cung cấp cho các thiết bị điện tử, cảm biến và khi được tạo ra trên quy mô lớn, năng lượng này cũng có thể cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của chúng ta. Sau khi phát minh ra TENG vào năm 2012, lĩnh vực này đã được nghiên cứu rộng rãi. Các chế độ TENG khác đã được phát minh vào năm 2013 trong quá trình nghiên cứu sâu hơn [24]. Các chế độ hoạt động cơ bản của TENG.
7 Bốn chế độ hoạt động của TENG đã được đề xuất theo cấu trúc cấu hình và cách thức điều khiển, cụ thể là chế độ tách tiếp xúc theo chiều dọc [25], chế độ trượt ngang [26], chế độ điện cực đơn [27] và chế độ điện cực treo [28] (Hình 1. - Chế độ tách tiếp xúc dọc (axial contact mode) trong đó hai bề mặt tiếp xúc và cọ xát theo hướng dọc của trục thiết bị. Khi chúng tiếp xúc và tách rời, một điện trường được tạo ra giữa các bề mặt, sinh ra điện áp và dòng điện. Phương pháp này thường được dùng để thu thập năng lượng từ các chuyển động nhỏ hoặc dao động.
- Chế độ trượt ngang (sliding mode) là khi hai bề mặt tiếp xúc và trượt ngang qua nhau. Sự cọ xát khi trượt tạo ra điện tích và điện trường, sinh ra điện áp và dòng điện. Phương pháp này thường được dùng để thu năng lượng từ chuyển động trượt hoặc dao động. - Chế độ đơn điện cực (single-electrode mode) chỉ sử dụng một điện cực, trong khi bề mặt còn lại không cần có điện cực.
Khi bề mặt có điện cực tiếp xúc và tách rời khỏi bề mặt không có điện cực, điện tích được chuyển giao, tạo ra điện trường, điện áp và dòng, thu năng lượng từ các nguồn khác nhau, chẳng hạn như đánh máy bằng tay, đi bộ của con người và phương tiện di chuyển. - Chế độ điện cực treo (suspended electrode mode) được phát triển trên cơ sở chế độ điện cực đơn, nhưng nó không sử dụng mặt đất làm điện cực tham chiếu và thay vào đó sử dụng một cặp điện cực đối xứng.