nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme cấu trúc xốp ứng dụng trong thiết bị phát điện nano ma sát

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.84 MB, 121 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Văn Tiến Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS Hà Thúc Chí Nhân Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lưu Hoàng Tâm

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG, TP. HCM ngày 30 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch Hội đồng: PGS. TS. Huỳnh Đại Phú

2. Phản biện 1: PGS. TS Hà Thúc Chí Nhân 3. Phản biện 2: TS. Lưu Hoàng Tâm

4. Uỷ viên: TS. Giang Ngọc Hà 5. Thư ký: TS. Cao Xuân Việt

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

PSG.TS Huỳnh Đại Phú TS Nguyễn Khánh Sơn

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : Lê Thị Thu Hà MSHV : 2171055 Ngày tháng năm sinh : 16/12/1999 Nơi sinh : Ninh Bình Chuyên ngành : Kỹ thuật vật liệu Mã số : 8520309

1 - TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME CẤU TRÚC XỐP ỨNG DỤNG

TRONG THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT

(Fabrication of Polymer Tribomaterials with Porous Structures for High-Performance Triboelectric Nanogenerator)

2 - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chế tạo thành công màng cấu trúc xốp polyimide. Thiết kế, chế tạo và đánh giá khả năng phát điện của thiết bị phát điện ma sát nano (TENG) dựa trên vật liệu cấu trúc xốp đã chế tạo. Đồng thời, ứng dụng thiết bị TENG cấp nguồn cho các thiết bị điện tử công suất nhỏ và cảm biến tự cấp nguồn.

3 - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

4 - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 24/12/2023

5 - HỌ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. BÙI VĂN TIẾN

Tp. HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2023

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Đại học Quốc Gia TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CÁM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng đào tạo sau đại học, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tạo mọi điều kiện cho em trong q trình học tập và hồn thành luận văn này.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Quý Thầy giáo, Cô giáo, cán bộ, nhân viên Khoa Công nghệ Vật liệu đã tận tình dạy dỗ và giúp đỡ em trong những năm trên giảng đường đại học và cao học.

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS Bùi Văn Tiến, người Thầy trực tiếp hướng dẫn luận văn thạc sĩ cho em. Thầy đã dành cho em nhiều thời gian, tâm sức, cho em nhiều ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa cho em những chi tiết nhỏ trong luận văn, giúp luận văn của em được hoàn thiện hơn về mặt nội dung và hình thức. Thầy cũng đã luôn quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để em có thể hồn thành luận văn đúng tiến độ.

Nhân dịp này, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Bố Mẹ, Anh Chị, những người thân thương ln là chỗ dựa cho em, khuyến khích và tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và hiện luận văn này.

Do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm, thời gian tìm hiểu và thực hiện nên luận văn chắc chắn cịn thiếu sót. Em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp của Quý Thầy, Cơ để em có được cái nhìn sâu sắc hơn về đề tài nghiên cứu này.

Luận Văn này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.99-2020.54

Xin chân thành cảm ơn!

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Thiết bị phát điện nano ma sát –Triboelectric Nanogenerator (TENG) là một trong những công nghệ thu hồi chuyển hóa năng lượng xanh hiệu quả nhất. Với ưu điểm mềm dẻo, linh hoạt, thân thiện với môi trường và con người, thiết bị TENG có thể chuyển đổi hiệu quả năng lượng cơ học - một loại năng lượng xanh phổ biến sẵn có trong tự nhiên, thành điện năng cấp nguồn cho các thiết bị điện tử di động trong thời đại Internet vạn vật (IoT). Tuy nhiên, các vật liệu ma sát (tribomaterials) sử dụng trong TENG thường là vật liệu polyme mềm dẻo, có tính chất cơ lý và độ bền nhiệt kém, gây ra hạn chế lớn trong việc mở rộng ứng dụng thực tế của TENG trong môi trường khắc nghiệt. Trong nghiên cứu này, polyimide - một polyme nhiệt dẻo đặc trưng với tính chất cơ lý và độ bền nhiệt tốt, đã được chế tạo với cấu trúc xốp liên tục (porous PI) bằng hai phương pháp khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thiết bị TENG sử dụng màng xốp PI

kết hợp với chitosan cấu trúc hạt vi mô (mb-CS), thể hiện khả năng tăng cường mật độ

công suất đến 225 lần so với TENG được chế tạo từ PI phẳng. Đồng thời, màng xốp PI thể hiện độ ổn định cấu trúc ở nhiệt độ cao lên đến 200 °C, cùng với khả năng hoạt động ổn định trong hơn 10,000 chu kỳ tiếp xúc-tách rời. Từ đó, TENG dựa trên xốp PI thể hiện tiềm năng rất lớn khi được ứng dụng vào cảm biến theo dõi tình trạng hoạt động của động cơ và tích hợp trong hệ thống cảnh báo cháy rừng. Nghiên cứu này là nền tảng để sản xuất thiết bị TENG linh hoạt, dễ tích hợp và hiệu quả trong việc phát điện cho các ứng dụng thực tế trong môi trường khắc nghiệt.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

ABSTRACT

Triboelectric nanogenerators (TENGs) are highly effective green energy harvesting technologies, serving as a suitable distributed power source for rechargeable and portable microelectronics in the Internet of Things era. However, their practical applications are constrained by low electrical output and limited adaptability to harsh conditions, primarily due to the use of weak polymeric tribomaterials. This study introduces two scalable and cost-effective fabrication methods for creating polyimide films with customizable interconnected porous structures (porous PI), specifically designed for TENG operated in high-temperature conditions, exploiting the exceptional mechanical and heat-resistant properties of polyimide. The TENG constructed with

porous PI, in combination with microbeads-patterned chitosan (mb-CS), exhibits an

outstanding 225-fold increase in output power density compared to TENG assembled with unstructured PI. Furthermore, the present porous PI demonstrates excellent structural integrity even at extreme temperature up to 200 °C, along with promising durability of over 10,000 contact-separation cycles. To illustrate the porous PI TENG's capabilities, it is applied to self-powered machinery condition monitoring sensors and a wireless communication fire forest pre-warning system. This study presents a significant advancement in the production of flexible TENGs, integrating cost-effective and large-scale manufacturing processes, adaptability to harsh environments, and superior electrical output. These findings significantly contribute to the development of rechargeable integrated sensors, which are suitable for industrial sectors operated in harsh environments.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Lê Thị Thu Hà

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ...i

LỜI CÁM ƠN ... ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN ... iii

LỜI CAM ĐOAN ... v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU ... xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ... 1

Tổng quan tình hình nghiên cứu ... 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ... 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ... 5

Lý do chọn đề tài ... 5

Tính mới của đề tài ... 6

Ý nghĩa của nghiên cứu ... 6

1.4.1 Ý nghĩa khoa học ... 6

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn ... 7

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ... 7

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu ... 7

1.5.2 Nội dung nghiên cứu ... 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 9

Thiết bị phát điện nano ma sát ... 9

2.1.1 Hiện tượng ma sát điện và cảm ứng tĩnh điện ... 9

2.1.2 Cơ chế hoạt động của thiết bị nano ma sát ... 10

2.1.3 Các chế độ hoạt động của TENG ... 14

Phương pháp cải thiện hiệu quả phát điện của TENG ... 16

2.2.1 Lựa chọn vật liệu ma sát ... 16

2.2.2 Biến tính cấu trúc bề mặt (surface engineering) vật liệu ... 18

2.2.3 Tối ưu hóa thiết kế thiết bị TENG ... 18

Vật liệu polyme xốp ứng dụng trong TENG ... 20

2.3.1 Cơ chế tăng cường điện tích của vật liệu xốp ... 23

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

3.2.1 Chế tạo màng PI xốp bằng phương pháp hòa tan đối nghịch ... 31

3.2.2 Chế tạo màng PI xốp bằng phương pháp NIPS ... 34

3.2.3 Chế tạo vật liệu ma sát dương microbead chitosan ... 36

3.2.4 Chế tạo thiết bị TENG ... 40

Phương pháp phân tích ... 41

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ... 42

Chế tạo màng xốp polyimide bằng phương pháp hòa tan đối nghịch ... 42

4.1.1 Sự hình thành màng ip-PI bằng phương pháp hịa tan đối nghịch ... 42

4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc p-PVDF đến cấu trúc ip-PI ... 46

4.1.3 Tính chất màng xốp ip-PI ... 47

Chế tạo màng polyimide xốp bằng phương pháp phân pha nâng cao ... 49

4.2.1 Sự hình thành cấu trúc xốp bằng phương pháp NIPS ... 49

4.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến sự hình thành cấu trúc xốp ... 50

4.2.3 Ảnh hưởng của các tỉ lệ dung môi:phi dung môi đến cấu trúc màng xốp 514.2.4 Tính chất màng xốp p-PI ... 53

Chế tạo vật liệu ma sát dương mb-CS bằng phương pháp đúc khuôn vi mô .. 55

4.3.1 Khảo sát và chế tạo khuôn hc-PS từ xốp phế thải ... 55

4.3.2 Vật liệu ma sát dương mb-CS ... 56

Chế tạo thiết bị phát điện nano ma sát và khảo sát khả năng phát điện ... 57

4.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ... 57

4.4.2 Mô phỏng COMSOL ... 58

4.4.3 Khả năng phát điện của thiết bị TENG chế tạo từ màng xốp ip-PI ... 62

4.4.4 Khả năng phát điện của thiết bị TENG chế tạo từ màng xốp p-PI ... 66

4.4.5 So sánh hiệu quả phát điện của các thiết bị TENG dựa trên xốp PI ... 69

4.4.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả phát điện của TENG ... 72

4.4.7 Ảnh hưởng của độ ẩm đến hiệu quả phát điện của TENG ... 73

4.4.8 Độ bền hoạt động của TENG ... 74

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

viii

Ứng dụng thiết bị phát điện nano ma sát ... 74

4.5.1 Cấp nguồn cho các thiết bị điện tử công suất nhỏ ... 74

4.5.2 Thiết bị Spi-TENG cảm biến rung động máy móc ... 77

4.5.3 Thiết bị cấp nguồn cho hệ cảnh báo cháy rừng ... 81

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 88

Kết luận ... 88

Kiến nghị ... 89

DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ... 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 91

PHỤ LỤC ... 100

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1 Các ứng dụng chính của thiết bị phát điện nano [6] ... 2

Hình 2.1 Quá trình tạo ra điện tích bởi nhiễm điện do tiếp xúc và cảm ứng tĩnh điện. 10Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của TENG ở chế độ phân tách - tiếp xúc [36] ... 11

Hình 2.3 Mơ hình lý thuyết cho chế độ tiếp xúc trong TENG [37] ... 12

Hình 2.4 Mơ hình đám mây điện tử giải thích sự hình thành điện tích ma sát ở cấp độ nguyên tử [38] ... 13

Hình 2.5 Bốn chế hoạt động cơ bản của TENG [39] ... 14

Hình 2.6 Một số bề mặt cấu trúc vi mô ứng dụng trong TENG [48] ... 18

Hình 2.7 Các chiến lược thiết kế thiết bị TENG cho ứng dụng thực tế [49] ... 19

Hình 2.8 Các thiết kế cấu trúc xốp ứng dụng trong TENG [39] ... 20

Hình 2.9 Đặc điểm kích thước lỗ xốp và các ứng dụng tương ứng trong TENG [39] . 21Hình 2.10 Các đặc tính vật liệu xốp có ảnh hưởng đến hiệu quả phát điện của TENG [39] ... 22

Hình 2.11 Khả năng tích trữ điện tích trong lỗ xốp trong quá trình ma sát [39] ... 23

Hình 2.13 Quá trình hình thành màng xốp bằng phương pháp phân pha [59] ... 26

Hình 2.14 Sự hình thành lỗ xốp trong quá trình phân pha [60] ... 27

Hình 2.15 Giản đồ phân pha 3 cấu tử của polymer và dung mơi ... 27

Hình 2.16 (a) Đặc trưng của cấu trúc “Finger-Like”, (b) cấu trúc bọt biển [61] ... 28

Hình 2.17 Chế tạo vật liệu xốp bằng phương pháp template [62] ... 29

Hình 3.1 Quy trình chế tạo màng ip-PI bằng phương pháp hịa tan đối nghịch ... 32

Hình 3.2 Sơ đồ quy trình chế tạo màng xốp PI bằng phương pháp hịa tan đối nghịch 33Hình 3.3 Quy trình chế tạo màng p-PI bằng phương pháp NIPS ... 35

Hình 3.4 Sơ đồ quy trình chế tạo màng xốp PI bằng phương pháp NIPS ... 35

Hình 3. 5 Quy trình chế tạo khn hc-PS từ xốp phế thải ... 37

Hình 3. 6 Quy trình chế tạo màng hc-PS từ xốp phế thải ... 38

Hình 3.7 Quy trình chế tạo màng mb-CS ... 39

Hình 3.8 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu ma sát dương mb-CS ... 39

Hình 3.9 Thiết kế thiết bị TENG khảo sát khả năng phát điện ... 40

Hình 3.10 (a) Hình chiếu đứng và (b) Hình chiếu bằng của thiết bị Spi-TENG ... 41

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 4.1 Minh hoạ sự hình thành màng ip-PI bằng phương pháp hòa tan đối nghịch 43

Hình 4.2 (a) Hình thái cấu trúc bề mặt của p-PVDF50, PI@PVDF5 và ip-PI50... 43

Hình 4.3 Cấu trúc mặt cắt ngang của màng PI@PVDF và ip-PI50 ... 43

Hình 4.4 Phổ FTIR của (a) PI nguyên sinh, (b) PVDF, (c) PI@PVDF và (d) ip-PI. .... 44

Hình 4.5 (a)Đồ thị TGA tương ứng với phần trăm sụt giảm khối lượng và (b) Đường tích phân TGA của PVDF, PI nguyên sinh, PI@PVDF, ip-PI xốp. ... 45

Hình 4.6 Hình thái bề mặt của các p-PVDF template và ip-PI tương ứng ... 46

Hình 4.7 Ảnh thực tế của màng p-PVDF, f-PI, PI@PVDF và ip-PI ... 47

Hình 4.8 Khả năng chịu tác dụng gập và cuộn xoắn của màng ip-PI ... 47

Hình 4.9 Góc tiếp xúc nước của các mẫu f-PI; ip-PI455; ip-PI40; ip-PI50. ... 48

Hình 4.10 Màng xốp ip-PI50 trước và sau nung nóng ở 200C trong 2 h ... 49

Hình 4.11 Ảnh ngoại quan của các màng p-PI5, p-PI8, p-PI10 ... 50

Hình 4.12 Hình thái cấu trúc bề mặt của các màng p-PI5, p-PI8, p-PI10 ... 51

Hình 4.13 Hình thái cấu trúc bề mặt của các màng PI_DMAc_95:5, PI8, PI_DMAc_85:15 ... 51

Hình 4.14 Hình thái cấu trúc bề mặt của các màng PI_THF_100, PI_THF_98:2, PI_THF_95:5 ... 52

p-Hình 4.15 p-Hình thái cấu trúc bề mặt của các màng p-PI_721, p-PI_811, p-PI_8,5:0,5:1 ... 52

Hình 4.16 So sánh cấu trúc của mặt tiếp khơng khí và đế của màng p-PI_811 ... 53

Hình 4.17 Cấu trúc mặt cắt ngang của màng p-PI_811 và p-PI_8,5:0,5:1 ... 53

Hình 4.18 Sự ảnh hưởng của cấu trúc xốp p-PI đến góc tiếp xúc nước ... 54

Hình 4.19 Tính linh hoạt của màng xốp p-PI ... 54

Hình 4.20 Màng p-PI trước (pristine) và sau khi nung (after annealed) ở 200 C ... 55

Hình 4.21 Hình thái cấu trúc bề mặt của các màng hc-PS được chế tạo với các tỉ lệ dung môi phi dung môi khác nhau (Bar scale 50 µm) ... 55

Hình 4.22 Cấu trúc hình thái của màng hc-PS a) Hình ảnh kính hiển vi điện tử qt b) Ảnh SEM và chuyển đổi FFT c) Mặt cắt ngang hc-PS ... 56

Hình 4.23 Hình thái bề mặt trên diện tích lớn và góc nghiêng của mb-CS ... 56

Hình 4.24 Hình thái cấu trúc bề mặt màng khn hc-PS và mb-CS ... 57

Hình 4.25 Nguyên lý hoạt động của thiết bị TENG dựa trên xốp PI và mb-CS ... 58

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 4.31 (a) Cấu tạo của thiết bị TENG (b) Giá trị VOC của các thiết bị TENG f-PI/Al, ip-PI455/Al, ip-PI40/Al, ip-PI50/Al ... 62Hình 4.32 (a) VOC và (b) ISC của các thiết bị TENG f-PI/Al, ip-PI455/mb-CS, ip-

PI40/mb-CS, ip-PI50/mb-CS ... 63Hình 4.33 Ảnh hưởng của tần số dao động đến giá trị VOC ... 64

Hình 4.34 Sự ảnh hưởng của điện trở tải mạch ngoài lên giá trị VOC và ISC của thiết bị

ip-PI50/mb-CS TENG ... 64

Hình 4.35 So sánh ảnh hưởng của điện trở tải mạch ngồi đến cơng suất tức thời của

các thiết bị TENG: f-PI/Al, ip-PI455/mb-CS, ip-PI40/mb-CS, ip-PI50/mb-CS ... 65Hình 4.36 So sánh mật độ công suất tức thời của TENG f-PI/Al, ip-PI455/mb-CS, ip-PI40/mb-CS, ip-PI50/mb-CS ... 66Hình 4.37 Giá trị VOC của các thiết bị TENG dựa trên các màng PI cấu trúc khác nhau ... 66

Hình 4.38 (a) So sánh giá trị VOC của thiết bịf-PI/mb-CS, PI_721/mb-CS,

p-PI_811/mb-CS, p-PI8/mb-CS ... 68Hình 4.39 Ảnh hưởng của tần số dao động từ đến giá trị VOC ... 68Hình 4.40 Ảnh hưởng của điện trở tải mạch ngoài lên hiệu điện thế mạch hở và công

suất tức thời của thiết bị p-PI811/mb-CS ... 69

Hình 4.41 So sánh mật độ cơng suất phát điện tức thời của các thiết bị TENG ... 69

Hình 4.42 Giá trị VOC của các thiết bị TENG f-PI/Al, ip-PI50/Al với điều kiện nhiệt độ

khảo sát từ 30 – 60 C ... 72Hình 4.43 Khả năng phát điện của thiết bị theo độ ẩm từ 30 – 80 RH% ... 73Hình 4.44 Thử nghiệm phun hơi nước lên thiết bị TENG trong quá trình hoạt động .. 73

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

3D của thiết bị TENG lấy cảm hứng từ cơ thể nhện (Spi-TENG) ... 77Hình 4.51 Hình ảnh thực tế của thiết bị Spi-TENG ... 77Hình 4.52 (a) Mơ hình nghiên cứu hoạt động của Spi-TENG (b) Thử nghiệm Spi-

TENG trên động cơ motor điện ... 78

Hình 4.53 Tín hiệu VOC của Spi-TENG (a) Máy dao động theo phương dọc (b) Máy

dao động theo phương ngang ... 79

Hình 4.54 Tín hiệu VOC của Spi-TENG trong các điều kiện tần số máy dao động: (a)

Tốc độ thơng thường (b) Tốc độ cao ... 79

Hình 4.55 Tín hiệu VOC của Spi-TENG thu được ở: (a) Máy bơm công suất nhỏ (b)

Máy bơm công nghiệp ... 80

Hình 4.56 Tín hiệu VOC của Spi-TENG trên (a) Motor hoạt động bình thường (b)

Motor đã bị lỗi. ... 81

Hình 4.57 Mơ hình sử dụng Spi-TENG như một nguồn cung cấp năng lượng cho hệ

thống cảnh báo trước cháy rừng từ xa ... 82

Hình 4.58 Mơ hình thử nghiệm Spi-TENG trong thu hoạch năng lượng gió ... 83Hình 4.59 (a) Minh họa mơ tả 3D thiết kế của Spi-TENG. (b) Sơ đồ mạch điện TENG

kết nối chỉnh lưu ... 83

Hình 4.60 Ảnh hưởng của số đơn vị đến giá trị VOC và ISC ... 84

Hình 4.61 Giá trị VOC của Spi-TENG qua chỉnh lưu tạo ra bởi dao dộng ngẫu nhiên .. 84Hình 4.62 Tín hiệu VOC đa đỉnh của thiết bị Spi-TENG ... 85

Hình 4.63 Sơ đồ mạch điện kết hợp mạch thu hồi năng lượng và hệ thống cảm biến .. 86Hình 4.64 Mạch cảm biến và điều khiển cảnh báo cháy rừng từ xa tự cấp nguồn ... 86Hình 4.65 Tín hiệu trên điện thoại trước và sau khi có sự xuất hiện của đám cháy .... 87

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng các vật liệu ma sát âm và dương ... 17

Bảng 2.2 So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp chế tạo màng polyme xốp .... 25

Bảng 3.1 Danh sách các hóa chất ... 30

Bảng 3.2 Danh sách các thiết bị chế tạo chính ... 31

Bảng 3.3 Bảng ký hiệu mẫu xốp PI chế tạo bằng phương pháp template ... 34

Bảng 3.4 Bảng ký hiệu mẫu xốp PI chế tạo bằng phương pháp NIPS ... 36

Bảng 4.1 Khả năng hòa tan của một số polyme trong dung môi hữu cơ thông dụng. .. 42

Bảng 4.2 So sánh hiệu quả phát điện VOC của các thiết bị TENG ... 70

Bảng 4.3 So sánh mật độ công suất tức thời của các thiết bị TENG... 71

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

xiv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TENG Triboelectric nanogenerator

Spi-TENG Spider inspired triboelectric nanogenartor

VOC Open – circuit voltage

ISC Short – circuit current

NIPS Nonsolvent-induced phase separation

WCA Water contact angle

FTIR Fourier transform infrared spectroscopy

TGA Thermal gravimetric analysis

IoT Internet of things

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT), cùng với sự tăng trưởng mạnh mẽ về số lượng cảm biến và thiết bị điện tử không dây là sự phát triển của công nghệ liên quan như lưu trữ và cung cấp năng lượng [1][2]. Tuy nhiên, việc cung cấp năng lượng, sạc pin và thay thế cho một số lượng lớn cảm biến trở thành một thách thức lớn, cùng với vấn đề về ô nhiễm môi khi các nguồn năng lượng thông thường bao gồm cả pin hoặc tụ điện được sử dụng chứa nhiều kim loại nặng và dung môi độc hại [3]–[5]. Hơn nữa, các thiết bị điện hóa này thường nhạy với mơi trường hoạt động khắc nghiệt, ví dụ như nhiệt độ cao. Đáng chú ý, sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã thúc đẩy việc thu nhỏ và giảm mức tiêu thụ điện năng của cảm biến IoT. Đồng thời, sự phổ biến của năng lượng cơ học và dễ tiếp cận trong môi trường xung quanh cung cấp một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết nhu cầu năng lượng của thiết bị di động vi điện tử. Thiết bị phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG) là một trong những cơng nghệ có hiệu quả nhằm thu năng lượng cơ học chuyển đổi thành điện năng, được phát minh bởi Zhong Lin Wang (Viện Công Nghệ Georgia, Hoa Kỳ) vào năm 2012. TENG hoạt động dựa trên hiệu ứng điện ma sát và hiệu ứng cảm ứng tĩnh điện nhằm chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Trong đó, hiệu ứng điện ma sát là hiện tượng tạo ra điện tích giữa hai vật liệu khác nhau có ái lực bề mặt riêng biệt. Khi chúng tiếp xúc với nhau thông qua ma sát, điện thế khác nhau được tạo ra do sự tách biệt của hai bề mặt vật liệu. Cho tới nay, công nghệ này đang thu hút được sự quan tâm lớn từ các tổ chức, cơ sở nghiên cứu, và phịng thí nghiệm lớn trên thế giới nhằm phát triển các ứng dụng mang tính cách mạng, chủ yếu dựa trên lĩnh vực cảm biến tự cấp nguồn, nguồn năng lượng micro/nano và thu hồi năng lượng quy mô lớn [6]. TENG có nhiều ưu điểm vượt trội như chế tạo đơn giản, gọn nhẹ, mềm dẻo, độ bền lâu dài, sử dụng được nhiều loại vật liệu, và hiệu suất thu năng lượng cao [7][8]. Đặc biệt, TENG có hiệu suất cao hơn nhiều các công nghệ khác khi thu năng lượng từ các nguồn

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

dao động cơ học không ổn định và có tần số thấp như chuyển động của con người [9][10], động cơ [11], gió [12] dịng chảy [13] hay sóng biển [14].

Hình 1. 1 Các ứng dụng chính của thiết bị phát điện nano [6]

Trong đó, thiết bị TENG ứng dụng trong các môi trường hoạt động nhiệt độ cao, môi trường hoạt động khắc nghiệt cũng đang được quan tâm nghiên cứu. Năm 2018, Zhin Wen và cộng sự đề xuất thiết kế phù hợp cho các thiết bị TENG ứng dụng trong mơi

trường khắc nghiệt. Thiết bị có VOC tương ứng là 221 V và mật độ dòng điện là 27,9 µAcm2. Hơn nữa, do có khả năng cảm nhận rung động tốt, hệ thống phanh thông minh tự cung cấp năng lượng và cảm biến của ô tô được đã được chế tạo. Hệ thống này có thể tự động cung cấp tín hiệu cảnh báo sớm và chính xác, chẳng hạn như lời nhắc thay phanh và cảnh báo cho sự quá tải và áp lực lớn của lốp. Nghiên cứu trên cho thấy một cách tiếp cận mới để nâng cao hiệu suất và áp dụng vật liệu ma sát cho các môi trường khắc nghiệt, cũng như ứng dụng tiềm năng trong xe tự hành và phanh công nghiệp [15]. Abdelsalam Ahmed và cộng sự vào năm 2019 đã chế tạo thiết bị TENG chống cháy

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

(FRTENG), có thể được sử dụng như một cảm biến chuyển động hoặc máy phát điện trong các môi trường chịu nhiệt độ cao như khoan dầu khí, chữa cháy hoặc làm việc ở những nơi khắc nghiệt. Thiết bị có độ bền nhiệt và đồng thời cũng thể hiện tính chất ma

sát điện tuyệt vời của cấu trúc aerogel. Các thiết bị được chế tạo cho ra VOC trong khoảng 80 V và mật độ dòng điện lên đến 25 µAm2. Khi được tích hợp vào giày, FRTENG có thể nhận biết các chuyển động của lính cứu hỏa trong các tình huống nguy hiểm, đồng thời cung cấp độ ổn định nhiệt cao khơng có trong các TENG thơng thường [16]. Năm 2020, nhóm của Cheng đã tạo ra thiết bị phát điện nano dựa trên các loại vải dệt (T-TENGs). Kết hợp với vải dẫn điện chống cháy, phủ polytetrafluoroethylen tạo ra FT-TENG. Nghiên cứu hướng tới việc tạo ra thiết bị có chi phí thấp và thân thiện với mơi trường đồng thời có khả năng chống cháy và khả năng chuyển hoá năng lượng hiệu quả. Mật độ công suất tối đa của FT-TENG có thể đạt 343,19 mWm2 dưới tần số 3 Hz. Hơn nữa, FT-TENG vẫn giữ 49,2 % khả năng hoạt động ngay cả khi bị đốt cháy ở 17 vị trí khác nhau; và khả năng hoạt động ở nhiệt độ tới 220 °C. Nghiên cứu này có tiềm năng phát triển thành cách loại vải dệt thông minh đa chức năng trong việc chuyển hoá năng lượng, cảm biến tự cấp nguồn và an ninh, chống trộm, cảnh báo cháy [15]. Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của các thiết bị TENG chống cháy cũng gặp phải nhiều hạn chế do giá thành chế tạo cao, phương pháp chế tạo phức tạp. Ngoài ra, nhiều thiết bị TENG bị hạn chế khả năng hoạt động ở môi trường khắc nghiệt vì một số nhược điểm vốn có của vật liệu ma sát polyme – vật liệu phổ biến nhất cho TENG.

Trong đó, polyimide (PI) được biết đến là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo có khả năng chịu nhiệt tốt nhất. Ngoài độ ổn định nhiệt, PI cũng sở hữu những ưu điểm đáng chú ý như độ bền cơ học và tính linh hoạt cao. Điều này khiến PI trở thành vật liệu phù hợp sử dụng trong các thiết bị hoạt động ở môi trường nhiệt độ cao [17]. Trong công nghệ TENG, PI thể hiện tính chất như một vật liệu ma sát tích điện âm trong chuỗi vật liệu ma sát [18]. Tuy nhiên, do hạn chế trong việc gia công tạo cấu trúc, PI thường được sử dụng ở dạng màng phẳng, được biết đến với tên thương mại là Kapton®, điều này làm giảm hiệu suất của thiết bị TENG do diện tích bề mặt ma sát hiệu dụng thấp [19][20]. Nhiều nghiên cứu đã được đề xuất nhằm nâng cao khả hiệu quả phát điện của PI thông qua các phương pháp khác nhau, bao gồm cả phương pháp biến tính hóa học và biến

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

tính vật lý bao gồm chế tạo các bề nhám, bề mặt cấu trúc vi mô hoặc nano và màng cấu trúc xốp. Về biến tính hóa học, Le và cộng sự đã thiết kế một loại PI mới bao gồm Bis(3-aminophenyl) Sulfone, cho ra thiết bị ma sát với công suất đầu ra cao hơn khoảng 7 lần so với TENG dùng Kapton® [21]. Gần đây hơn, các nhà nghiên cứu phát triển PI chứa fluoro nhằm tăng cường hiệu quả ma sát tĩnh điện, nâng cao hiệu suất điện 70% so với màng Kapton thương mại [22]. Ngồi ra, các nhà nghiên cứu cịn khám phá các phương pháp chế tạo cấu trúc xốp, chẳng hạn như chế tạo vật liệu aerogel PI có độ xốp cao bằng cách sử dụng phương pháp chất lỏng CO2 siêu tới hạn (super critical CO2 liquid). TENG sử dụng aerogel PI và sợi nano Polyamid đã tăng hiệu quả phát điện lên gấp 11 lần so

với TENG dựa trên màng phẳng [23]. Nhóm của Zia và cộng sự cũng đã chứng minh

rằng TENG dựa trên PI aerogel của họ đã tạo ra dòng điện tức tời cao gấp 8 lần so với khi sử dụng lớp PI phẳng [24]. Zhao và cộng sự cũng đã phát triển TENG thu hồi năng lượng gió dựa trên màng foam nanocomposite từ vật liệu PI/graphene, được chế tạo thơng qua q trình sấy đơng khơ (freeze drying). Thiết bị này có độ nhạy cao đối với sự thay đổi áp suất và có tiềm năng hoạt động như một cảm biến áp suất tự cấp nguồn [25]. Ngoài những nghiên cứu về PI kể trên, màng PI cấu trúc xốp cũng đã được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau bao gồm điện quay (electrospinning) [26], phân pha (phase separation) [27] và phương pháp đúc khuôn cứng (hard templating) [28].

Thông thường, quá trình tổng hợp polyimide thường áp dụng theo quy trình hai bước, trong đó có phản ứng giữa polyanhydride và polyamine để tạo ra polyamic acid (PAA). Trong khi PAA hòa tan dễ dàng trong các chất hữu cơ thông thường bao gồm DMF, DMAc, NMP và THF [29], PI lại thường khơng hịa tan trong các dung mơi này, gây khó khăn cho q trình gia cơng tạo cấu trúc. Mặc dù việc sử dụng màng xốp polyimide (porous PI) đã mang lại sự cải thiện đáng kể cho hiệu suất của TENG, tuy nhiên, các phương pháp chế tạo này có những hạn chế bao gồm quy trình chế tạo phức tạp, chi phí sản xuất cao và hạn chế về khả năng sản xuất quy mô lớn. Để giải quyết những thách thức trên, nghiên cứu này trình bày hai phương pháp tiếp cận mới nhằm chế tạo cấu trúc xốp liên tục của polyimide dựa trên polyimide tiền chất có khả năng hịa tan trong dung môi hữu cơ.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Mặc dù máy phát điện ma sát nano có tiềm năng lớn nhưng ở Việt Nam đây vẫn là lĩnh vực mới nên vẫn chưa có nhiều nghiên cứu được cơng bố trong nước. TS. Bùi Văn Tiến, Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM với các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vật liệu cấu trúc nano, vật liệu sử dụng cho máy phát điện ma sát nano, là người tiên phong triển khai nhiều nghiên cứu và ứng dụng TENG tại Việt Nam. Năm 2021, nhóm nghiên cứu thực hiện chế tạo nanocomposite dựa trên graphene oxide - acid polylactic không sử dụng hoạt động bề mặt với cấu trúc tổ ong cho ứng dụng TENG. Sử dụng vật liệu đối là PDMS có cấu trúc lồi tương ứng tạo thành một cặp vật liệu ma sát, thiết bị này tạo ra công suất đầu ra là 3,25 mW, cao hơn 13,6 lần so với công suất của TENG có bề mặt phẳng khơng có GO [30]. Năm 2021, nhóm tiếp tục thực hiện nghiên cứu và phát triển màng nanocomposite dựa trên graphene oxide/poly (lactic acid) sử dụng chất hoạt động bề mặt với lỗ lục giác có trật tự cao ứng dụng cho TENG đóng vai trị vật liệu tích điện dương. Thiết bị được chế tạo tương ứng tạo ra công suất đầu ra là 0,54 mW.cm-2, cao hơn 8,6 lần so với TENG có bề mặt phẳng và khơng có GO [31]. Trong năm 2023, nhóm cũng nghiên cứu chế tạo vật liệu cấu trúc tổ ong trật tự cao từ vật liệu tái chế polyvinyl clorua (PVC) ứng dụng trong lĩnh vực khai thác năng lượng sóng biển [32]. Hơn nữa, vật liệu cấu trúc lồi từ thermoplastic polyurethane (TPU) cũng được chế tạo bằng phương pháp đúc khuôn vi mô mang lại hiệu quả cao, có tiềm năng ứng dụng trong cảm biến chuyển động của cơ thể [33].

Lý do chọn đề tài

Như đã trình bày ở trên, TENG chế tạo từ polyimide có những ưu điểm vượt trội mà thiết bị TENG chế tạo từ các polyme nhiệt dẻo khác không đáp ứng được. Tuy nhiên, quá trình tạo cấu trúc nano, micro từ vật liệu polyimide gặp rất nhiều khó khăn. Các phương pháp chế tạo hiện nay có nhiều nhược điểm lớn như quy trình chế tạo phức tạp, năng suất nhỏ, đắt tiền và yêu cầu trang thiết bị hiện đại. Ngoài ra, chỉ có cấu trúc siêu xốp (aerogel) và cấu trúc sợi mat từ polyimide đã được phát triển và ứng dụng cho TENG, tuy nhiên các cấu trúc này có độ bền cơ lý rất kém và các nhược điểm khác không phù hợp để chế tạo TENG cho các ứng dụng thực tế. Do đó, thiết kế và chế tạo

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

vật liệu polyimide với cấu trúc xốp liên tục, sử dụng phương pháp dễ tiếp cận, có giá thành thấp và quy mô lớn là vô cùng cần thiết.

Tính mới của đề tài

Nhiều nghiên cứu trên thế giới tạo ra các loại TENG chịu nhiệt, TENG từ vải chống cháy, nhưng vẫn gặp phải nhiều nhược điểm do các polyme chịu được nhiệt độ cao thường khó gia cơng chế tạo thành cấu trúc nano/micro. Nghiên cứu này đưa ra các phương pháp mới chế tạo cấu trúc xốp từ vật liệu PI chịu nhiệt với quy trình đơn giản, có khả năng mở rộng sản xuất quy mơ lớn, mang lại hiệu quả cao. Lần đầu đầu tiên khái niệm hòa tan đối nghịch được đề xuất để chế tạo màng xốp PI. Phương pháp phân pha 4 cấu tử kết hợp các dung môi và phi dung mơi nhằm điều khiển q trình phân pha cũng lần đầu được đề xuất. Đặc biệt, lấy cảm hứng từ khả năng cảm nhận rung động tốt của loài nhện, TENG được thiết kế nhằm tăng khả năng cảm nhận những rung động cơ học và mở rộng tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến cũng như thu hoạch năng lượng xanh.

Ý nghĩa của nghiên cứu

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Cách mạng công nghiệp 4.0 dựa trên công nghệ số và nền tảng thông minh đã và đang thay đổi hoàn toàn bộ mặt nghiên cứu lĩnh vực khoa học kĩ thuật của nhân loại ngày càng bước tới tầm cao mới. TENG là một công nghệ rất mới và sẽ là một trong những công nghệ nguồn của tương lai. Việc nắm bắt kịp thời các thành quả nghiên cứu công nghệ mới sẽ góp phần giúp ích vào nền kinh tế nước ta, đồng thời đẩy mạnh q trình hướng đến cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Do đó việc nghiên cứu phát triển máy phát điện ma sát nano TENG và hệ cảm biến tự cấp nguồn dựa trên cơ sở TENG cho nền IoTs là điều rất cấp thiết ở Việt Nam giúp nước ta nắm bắt được một trong các cơng nghệ cốt lõi, đó là cơng nghệ TENG.

Kết quả của đề tài được công bố trên các tạp chí ISI uy tín và trong nước, có giá trị học thuật cao và đóng góp vào sự phát triển của các lĩnh vực vật liệu nano, vật liệu polyme chức năng, thiết bị TENG và cảm biến IoT ở Việt Nam và trên thế giới.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

An toàn cháy nổ là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần quan tâm trong môi trường sống và làm việc hàng ngày. Hiểm họa từ cháy nổ có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng đến con người, tài sản và môi trường. Nhiều hệ thống báo cháy hiện nay dựa trên cảm biến hồng ngoại, tuy nhiên trong nhiều trường hợp, các loại pin cung cấp cho các cảm biến này khơng có khả năng chịu được nhiệt độ cao. Đề tài sử dụng vật liệu PI xốp tự chế tạo được ứng dụng chế tạo thiết bị phát điện ma sát nano và hoạt động như một thiết bị cấp nguồn cho các hệ thống cảm biến hoạt động ở nhiệt độ cao.

Việc phát triển cơng nghệ TENG cịn giúp tạo ra việc làm, giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường và đa dạng hóa các nguồn năng lượng, từ đó đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trước những rủi ro có thể xảy ra.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là chế tạo thành công vật liệu ma sát polyimide có cấu trúc xốp liên tục, ứng dụng trong phát triển thiết bị phát điện nano ma sát (TENG) và cảm biến tự cấp nguồn có thể hoạt động ở môi trường khắc nghiệt. Mục tiêu này có thể diễn giải bằng các mục tiêu cụ thể như sau:

 Phát triển các phương pháp chế tạo vật liệu polyimide cấu trúc xốp đáp ứng được yêu cầu quy trình chế tạo đơn giản linh hoạt dễ tiếp cận, có khả năng sản xuất ở quy mơ lớn.

 Phát triển thành công thiết bị TENG thu năng lượng cơ học có khả năng hoạt động ổn định ở điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và độ ẩm lớn.

 Phát triển các cảm biến tự cấp nguồn có khả năng hoạt động ổn định ở mơi trường có nhiệt độ cao.

1.5.2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Chế tạo màng PI cấu trúc xốp (ip-PI) bằng phương pháp hoà tan đối nghịch

(antagonistic solubility).

 Nghiên cứu quy trình chế tạo màng ip-PI bằng phương pháp hòa tan đối nghịch

 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số chế tạo đến cấu trúc xốp của màng ip-PI.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

 Đánh giá các tính chất của màng xốp bao gồm: cấu trúc bề mặt, tính thấm ướt, tính chất nhiệt.

Nội dung 2: Chế tạo màng PI cấu trúc xốp (p-PI) bằng phương pháp phân pha hình

thành bởi phi dung môi – NIPS (nolsonvent-induced phase separation).

 Nghiên cứu quy trình chế tạo màng p-PI bằng phương pháp phân pha có điều

khiển sử dụng hệ 3 và 4 cấu tử.

 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi/phi dung môi đến cấu trúc xốp p-PI.

 Đánh giá các tính chất của màng xốp bao gồm: cấu trúc bề mặt, tính thấm ướt, tính chất nhiệt.

Nội dung 3: Chế tạo vật liệu ma sát dương mb-CS bằng phương pháp đúc khuôn vi mô dựa trên màng hc-PS

 Khảo sát và chế tạo khuôn hc-PS.

 Chế tạo vật liệu ma sát dương mb-CS trên khuôn hc-PS.

Nội dung 4: Thiết kế và chế tạo thiết bị TENG, đánh giá khả năng phát điện.

 Thiết kế thiết bị TENG hoạt động theo chế độ tiếp xúc – tách rời.

 Khảo sát và đánh giá khả năng phát điện của thiết bị TENG từ vật liệu ip-PI.

 Khảo sát và đánh giá khả năng phát điện của thiết bị TENG từ vật liệu p-PI.

 Đánh giá độ bền hoạt động của thiết bị bao gồm khả năng hoạt động trong môi trường độ ẩm cao và độ ổn định tín hiệu qua nhiều chu kỳ.

 Mơ phỏng COMSOL kiểm chứng kết quả thực nghiệm.

Nội dung 5: Các ứng dụng thực tế của thiết bị phát điện nano ma sát.

 Thiết kế cảm biến rung của TENG lấy cảm hứng từ cấu trúc con nhện, theo dõi tình trạng hoạt động của động cơ.

 Chế tạo thiết bị TENG thu năng lượng gió cấp nguồn cho hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng không dây IoT.

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Thiết bị phát điện nano ma sát

2.1.1 Hiện tượng ma sát điện và cảm ứng tĩnh điện

Hiệu ứng điện ma sát là hiện tượng vật liệu trở nên tích điện sau khi tiếp xúc với một vật liệu khác thơng qua q trình ma sát. Có thể xem xét tính phân cực tương đối của vật liệu để xác định liệu nó có tính âm hay dương khi tiếp xúc với vật liệu ma sát khác. Mặc dù hiệu ứng ma sát điện đã được biết đến từ hàng nghìn năm trước, nhưng cơ chế đằng sau hiện tượng này vẫn đang được nghiên cứu và gặp nhiều tranh luận. Các nghiên cứu chỉ ra rằng sau khi hai vật liệu khác nhau tiếp xúc, một liên kết hóa học được tạo thành giữa các phần tử trên một diện tích rất nhỏ giữa hai bề mặt. Sau đó, các điện tích di chuyển từ một vật liệu sang vật liệu khác để cân bằng sự chênh lệch về tính chất điện tự nhiên của chúng. Các điện tích được truyền có thể là electron hoặc cả ion/phân tử. Khi tách ra, một số nguyên tử có xu hướng nhận electron, trong khi một số khác có xu hướng cho electron, tạo ra lớp điện tích ma sát trên bề mặt. Các vật liệu có hiệu ứng điện ma sát thường là chất cách điện, bởi chúng thường có khả năng nhận các điện tích và giữ lại chúng trong một khoảng thời gian nhất định đủ để tạo ra các điện tích cảm ứng. Tĩnh điện là hiện tượng mất cân bằng điện tích trên bề mặt của một vật liệu. Điện tích sẽ được lưu giữ ở đó cho đến khi nó có thể truyền đi nơi khác thơng qua một dịng điện hoặc sự phóng điện. Khái niệm "tĩnh" trong tĩnh điện chỉ sự tương phản với dòng điện dịch, thể hiện nguyên lý về sự thay đổi trong sắp xếp điện tích ở vật chất gây ra bởi hiện tượng cảm ứng tĩnh điện. Vật chất được cấu thành từ các nguyên tử trung hịa về điện tích vì chúng chứa số lượng điện tích dương (proton trong hạt nhân) và điện tích âm (điện tử trong vỏ) bằng nhau. Hiện tượng tĩnh điện yêu cầu sự phân ly của các điện tích dương và âm này. Khi một vật mang điện được đưa đến gần một vật trung hòa về điện, chẳng hạn như một miếng kim loại, lực của điện tích gần đó do định luật Coulomb sẽ gây ra sự phân tách các điện tích bên trong miếng kim loại trung hịa này. Ví dụ, nếu một vật điện tích dương được đưa đến gần vật thể trung hòa về điện, các electron trong kim loại mang điện tích dương sẽ bị hút về phía nó và các điện tích dương sẽ dịch chuyển về phía đối diện. Khi các electron chuyển động ra khỏi quỹ đạo của nó, chúng để lại một

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

lỗ trống tích điện dương. Điều này tạo ra hai vùng tích điện trái dấu về hai phía của vật liệu. Chúng được gọi là điện tích cảm ứng. Vì q trình này chỉ là sự phân phối lại các điện tích đã có trong vật liệu, nên nó khơng thay đổi tổng điện tích của vật liệu này. Hiệu ứng cảm ứng này có thể trở lại trạng thái ban đầu ngay sau đó như thể hiện trong Hình 2.1.

Hình 2.1 Q trình tạo ra điện tích bởi nhiễm điện do tiếp xúc và cảm ứng tĩnh điện.

2.1.2 Cơ chế hoạt động của thiết bị nano ma sát

Ngun lý mơ tả của q trình phát điện có thể được giải thích thơng qua sự tương tác giữa hiệu ứng điện ma sát bên trong và cảm ứng tĩnh điện bên ngoài. Trong trạng thái ban đầu, cả hai vật liệu âm và dương đều không mang điện tích trên bề mặt. Khi hai bề mặt này tiếp xúc vật lý với nhau, theo nguyên lý nhiễm điện tiếp xúc, điện tích dương hình thành trên bề mặt của vật liệu dương và điện tích âm hình thành trên bề mặt của vật liệu âm. Do tích tụ điện tích, mật độ điện tích trên bề mặt của lớp điện môi tăng lên và sau một số chu kỳ tiếp xúc, đạt trạng thái bão hòa. Khi bề mặt tiếp xúc bị ngăn cách, trường tĩnh điện phát sinh từ điện tích trên bề mặt điện mơi và điện cực kích thích electron ở lớp kim loại phía trên chạy qua tải bên ngồi, đến cực kim loại phía dưới, cho đến khi trường tĩnh điện đạt trạng thái cân bằng. Hiệu điện thế giữa hai điện cực là một hàm của khoảng cách chênh lệch giữa chúng. Khi hai bề mặt tiếp xúc gần nhau, hiệu điện thế do điện tích điện ma sát giảm về 0, điện tích chuyển về ngược lại qua tải bên ngoài, tạo thành một dòng điện ngược chiều và dẫn đến xuất hiện dòng điện xoay chiều. [34] [35].

Cơ sở lý thuyết cơ bản của TENG bắt nguồn từ dòng điện dịch chuyển của Maxwell (cơng thức 2.1), dịng điện này khác với dịng điện được quan sát thơng thường được dẫn bởi các electron tự do, mà là do chân không hoặc môi trường thay đổi theo thời gian

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

kết hợp với chuyển động cực nhỏ thay đổi theo thời gian của liên kết nguyên tử điện tích và sự phân cực điện mơi trong vật liệu (Hình 2.3a)

𝐽𝐷 =𝜕𝐷𝜕𝑡 +

𝜕𝑃𝑠𝜕𝑡 = 𝜀

𝜕𝐸𝜕𝑡 +

𝜕𝑡 (2.1)  JD là tổng mật độ dòng dịch chuyển,

 D là trường dịch chuyển điện,

 Ps là trường phân cực được tạo bởi các điện tích bề mặt tĩnh điện do hiệu ứng điện ma sát,

 E là điện trường,

 và ε0 là hằng số điện mơi chân khơng.

Hình 2.2 Ngun lý hoạt động của TENG ở chế độ phân tách - tiếp xúc [36] Phương trình lý thuyết quan trọng nhất để biểu diễn quá trình phát điện thời gian thực của TENG là mối quan hệ giữa ba tham số: (V) hiệu điện thế giữa hai điện cực, (Q)

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

 Q là số lượng điện tích trao đổi giữa hai lớp điện môi,  d0 là độ dày hiệu dụng của lớp điện môi được tính bởi:

𝑑0 = 𝑑1𝜀1 +

𝑑2𝜀2 ε0 là hằng số điện môi trong chân không,  S là diện tích bề mặt tiếp xúc,

 σ là mật độ điện tích tạo ra bởi ma sát,

 x(t) và là khoảng cách giữa 2 lớp điện mơi theo thời gian.

Hình 2.3 Mơ hình lý thuyết cho chế độ tiếp xúc trong TENG [37]

Bản chất vật lý của sự nhiễm điện tiếp xúc giữa hai vật liệu điện môi (Triboelectrification - TE) dựa trên 3 lý thuyết: truyền điện tử, truyền ion và truyền khối của vật liệu. Cũng có ý kiến cho rằng các ion H+ và OH từ nước bị hấp phụ có thể truyền điện tích giữa các bề mặt. Năm 2019, Zhong Lin Wang – nhà phát minh của công nghệ TENG – đưa ra khẳng định rằng cơ chế truyền điện tích là cơ chế chủ đạo để giải thích cho bản chất nhiễm điện do tiếp xúc. Sự truyền điện tử chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa các nguyên tử giữa hai vật liệu phải ngắn hơn chiều dài liên kết thông thường, bắt nguồn từ quá trình ma sát hai vật liệu với nhau thông qua ngoại lực. Sự chồng chập đám mây điện tử giữa hai nguyên tử trong vùng cho electron dẫn đến sự truyền đổi điện tử do sự giảm hàng

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

tiếp xúc. Vai trò của tiếp xúc cơ học là rút ngắn khoảng cách giữa nguyên tử và gây ra sự xen phủ của các đám mây điện tử của chúng. Cần lưu ý rằng chỉ một phần rất nhỏ diện tích của hai bề mặt có thể tiếp xúc ở quy mơ nguyên tử. Điều này cũng giải thích tại sao nhiều điện tích được tạo ra sẽ nhiều hơn nếu lực tác động trong quá trình TENG hoạt động càng mạnh. Sau khi được tách ra (Hình 2.4b), các electron được truyền vẫn ở dạng điện tích tĩnh trên vật liệu mặt.

2.1.3 Các chế độ hoạt động của TENG

Bốn chế độ hoạt động khác nhau của TENG, bao gồm:

Hình 2.5 Bốn chế hoạt động cơ bản của TENG [39]

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Chế độ phân tách – tiếp xúc (contact – separation mode)

Chế độ này được sử dụng phổ biến nhất, gồm vật liệu điện mơi hoặc kim loại đóng vai trò các lớp điện ma sát hoạt động và các kim loại hoạt động như một điện cực dẫn điện (Hình 2.5a). Chế độ này có ưu điểm dễ chế tạo, thiết kế đơn giản và giá thành thấp. Hiệu suất của thiết bị có thể được cải tiến bằng cách thiết kế thiết bị nhiều lớp chồng lên nhau. Chế độ tách – tiếp xúc tạo ra công suất đầu ra tức thời cao và dễ dàng mở rộng quy mơ lớn với tích hợp nhiều đơn vị TENG. Ở chế độ này, điện thế và dòng điện đầu ra được quyết định rất lớn bởi tốc độ và khoảng cách tách – tiếp xúc giữa hai bề mặt ma sát [40].

Chế độ trượt ngang (lateral sliding mode)

Thiết bị theo chế độ trượt ngang có thiết kế trượt tương đối giữa các lớp (Hình 2.5c). Chế độ làm việc này có ưu điểm vượt trội so với chế độ tách tiếp xúc do không cần có khoảng hở giữa hai lớp vật liệu ma sát, điều này giúp thiết bị trở nên gọn và dễ tích hợp hơn. Hiệu quả phát điện đầu ra bao gồm hiệu điện thế và dòng của chế độ này được cho là cao nhất trong các chế độ. Tuy nhiên, do chuyển động trượt lên nhau tạo ma sát liên tục và lực ma sát lớn, dẫn đến vật liệu dễ bị mịn thậm chí là rách, khiến cho độ bền hoạt động của thiết bị giảm xuống đáng kể.

Chế độ điện cực đơn (single-electrode mode)

Chế độ điện cực đơn không cần dây dẫn và điện cực gắn vào vật liệu ma sát, điều này giúp cho quá trình thu năng lượng trở nên linh hoạt hơn rất nhiều so với các chế độ cịn lại. Tuy nhiên, do q trình chuyển điện tử qua điện cực khơng có hiệu suất cao như các thiết kế khác do hiệu ứng rào cản năng lượng. Trong thực tế, việc một trong các lớp ma sát có khả năng di chuyển tự do có thể giúp chế tạo thiết bị với nhiều ứng dụng đặc biệt như thu năng lượng từ luồng khơng khí, bánh xe đang chạy, hoặc nước mưa.

Chế độ điện cực tự do (freestanding electrode mode)

Chế độ điện cực tự do thường bao gồm một lớp điện ma sát độc lập và một cặp điện cực cố định. Lớp ma sát được điều khiển để di chuyển vào giữa hai điện cực, tạo ra sự thay đổi định kỳ của hiệu điện thế giữa chúng. Sự chênh lệch về điện thế sau đó tạo thành dịng điện tử tuần hoàn giữa hai điện cực trong một chu kỳ hoạt động. Tương tự như chế độ điện cực đơn, chế độ làm việc này có ưu điểm là khơng yêu cầu có điện cực trên bộ

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

phận chuyển động, do đó giúp q trình chế tạo và vận hành trở nên đơn giản hơn. Thiết kế này lý tưởng để thu năng lượng từ một vật thể đang chuyển động mà không cần kết nối dây hoặc thậm chí khơng cần tiếp xúc vật lý trực tiếp, chẳng hạn như khi đi bộ trên sàn và một chiếc ô tô hoặc xe lửa đang di chuyển.

Phương pháp cải thiện hiệu quả phát điện của TENG

2.2.1 Lựa chọn vật liệu ma sát

Bất kỳ vật liệu nào chúng ta biết đến hiện nay đều có hiệu ứng ma sát tĩnh điện, từ kim loại, đến polyme, lụa và gỗ, do vậy sự lựa chọn vật liệu cho TENG là rất đa dạng [41]. Bản chất của hiện tượng điện ma sát là truyền điện tích giữa hai bề mặt vật liệu khi có sự tiếp xúc vật lý. Q trình truyền điện tích phụ thuộc vào sự khác biệt về ái lực electron của hai vật liệu. Vật liệu có ái lực với electron cao hơn sẽ nhận các electron tương ứng với vật liệu ma sát âm. Ngược lại vật liệu dễ bị mất electron ứng với vật liệu ma sát dương trong chuỗi điện ma sát [42]. Đối với một thiết bị phát điện hiệu quả, hai vật liệu phải có sự khác nhau lớn về bản chất ma sát tĩnh điện [43]. Trong số các vật liệu ma sát, vật liệu polyme đóng vai trị chính trong việc chuyển điện tích và thu giữ điện tích trong quá trình ma sát [18]. Vật liệu âm là vật liệu có khả năng nhận electron. Vật liệu polyme có các nhóm nhận electron điển hình là flo (–F), nhóm cyano (–CN), nhóm este (–COOR), nhóm acyl (–CON–), cacboxyl (–COOH) [18]. Chẳng hạn như Polyvinylidene florua (PVDF), polydimethylsiloxan (PDMS), polytetrafluoroethylen (PTFE), polyvinyl clorua (PVC), và polyimide (PI) [44]. Vật liệu dương là vật liệu có khả năng cho electron. Vật liệu polyme có các nhóm nhường electron điển hình là nitro (–NO2) và amidogen (–NH2), nhóm amide (–CONH), oxhydryl (–OH), alkoxy (–OR) [18]. Vật liệu dương sẵn có rất hạn chế so với vật liệu âm. Cho đến nay, vật liệu dương được sử dụng phổ biến nhất là kim loại (như Al và Cu), oxide kim loại (như ZnO và oxide thiếc indium (ITO)), polyamide (PA), và cellulose [44]. Bên cạnh đó, các thiết bị TENG thân thiện mơi trường và tương thích sinh học có nguồn gốc từ vật liệu tự nhiên như chitosan cũng đã được phát triển [45]. Việc lựa chọn vật liệu càng ở phía trên của dãy điện ma sát dương và vật liệu âm càng về phía dưới của dãy điện ma sát sẽ cho ra thiết bị TENG có hiệu quả phát điện tốt nhất. Tuy nhiên, việc lựa chọn bề mặt ma sát phù hợp còn dựa trên khả năng tiếp xúc của bề mặt, các điều kiện bên ngoài và ứng dụng

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Polytetrafluoroethylene (Teflon)

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

2.2.2 Biến tính cấu trúc bề mặt (surface engineering) vật liệu

Hình thái bề mặt của lớp vật liệu ma sát ảnh hưởng rất lớn tới hiệu quả phát điện của TENG. Do đó, nhiều nghiên cứu về TENG tập trung chế tạo ra vật liệu có cấu trúc micro/ nano trên bề mặt nhằm tăng cường diện tích ma sát hiệu dụng từ đó tăng cường hiệu quả ma sát [47]. Việc chế tạo vật liệu cấu trúc tạo ra mật độ điện tích lớn hơn, nhiều cấu trúc như cấu trúc xốp, aerogel có hiệu ứng tích trữ điện tích hiệu quả.

Hình 2.6 Một số bề mặt cấu trúc vi mô ứng dụng trong TENG [48]

2.2.3 Tối ưu hóa thiết kế thiết bị TENG

Ngồi chế tạo vật liệu có bề mặt cấu trúc nano nhằm tăng cường mật độ điện tích bề mặt, các nghiên cứu tập trung thiết kế tạo tiếp xúc cơ học hiệu quả, thiết kế TENG thu hồi năng lượng cơ học hiệu quả cũng như thiết kế mạch quản lý năng lượng cũng vô cùng cần thiết. Một số đặc điểm thiết kế các thiết bị của TENG phải kể đến:

 Thiết kế đơn vị TENG thu hồi năng lượng hiệu quả: (i) Thơng qua việc duy trì sự tiếp xúc và tách rời liên tục của các lớp vật liệu ma sát. Qua đó quyết định tốc độ phân tách nhanh hay chậm giữa hai bề mặt, điều này trực triếp ảnh hưởng điện mật độ dòng điện. Nếu quá trình tiếp xúc - phân tách diễn ra chậm, các điện tích ma sát tạo ra trên

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

hai bề mặt sẽ bị triệt tiêu do một số ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm. (ii) Tạo khoảng cách hợp lý giữa hai lớp vật liệu ma sát trong quá trình hoạt động. Q trình truyền điện tích của TENG chủ yếu được hình thành bởi độ biến thiên điện dung của cảm ứng tĩnh điện. Hiệu quả phát điện cực đại xảy ra khi hai điện cực ở vị trí rất gần nhau do độ biến thiên điện dung đạt giá trị cực đại. Hiệu suất phát điện trên mỗi đơn vị sẽ không cao nếu khe hở giữa hai vật liệu quá lớn. Do đó, việc lựa chọn khoảng cách thích hợp sẽ cho hiệu suất đầu ra cao và mật độ công suất cao.

 Kết hợp các đơn vị TENG thành một mạng lưới thu năng lượng: Thiết kế của TENG gồm nhiều các đơn vị TENG sẽ có lợi trong các ứng dụng thu hồi năng lượng quy mơ lớn như gió, thủy triều, sóng biển. Qua đó, tăng cường số đơn vị TENG trên một đơn vị diện tích sẽ giúp tiết kiệm khơng gian, thu hoạch tối đa các nguồn năng lượng cơ học

 Kết hợp với các mạch chuyển hóa và lưu trữ dòng điện mà TENG tạo ra một cách hợp lý, nhằm tránh thất thốt điện tích. Ngồi ra có thể kết hợp với các mạch quản lý năng lượng để sử dụng cho mục đích thích hợp, tiết kiệm năng lượng

 Tích hợp với các thiết bị điện tử, cảm biến không dây nhằm phát triển các ứng dụng thu hồi năng lượng cơ học nhằm theo dõi sức khỏe hoặc cấp nguồn cho hệ thống quan trắc môi trường tự cấp nguồn.

Hình 2.7 Các chiến lược thiết kế thiết bị TENG cho ứng dụng thực tế [49]

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Vật liệu polyme xốp ứng dụng trong TENG

Màng xốp được định nghĩa bao gồm một chất nền rắn có các lỗ xốp đóng hoặc xốp hở xác định có đường kính từ 2 nm đến 20 mm. Sử dụng định nghĩa về kích thước lỗ của IUPAC, màng xốp có đường kính lỗ trung bình lớn hơn 50 nm được phân loại là macroporous, kính lỗ trung bình trong khoảng trung bình từ 2 đến 50 nm được phân loại là mesoporous. Màng có lỗ đường kính lỗ trung bình từ 2 đến 0,2 nm được phân loại là microporous. Dưới 0,2 nm, màng được phân loại là không xốp (hoặc đặc).

Hình 2.8 Các thiết kế cấu trúc xốp ứng dụng trong TENG [39]

Tuy nhiên, do có nhiều loại vật liệu và cấu trúc xốp được sử dụng cho TENG, có phạm vi từ vài nm (như trong trường hợp gel) đến mm vĩ mô (như trong vải dệt và sợi), các thiết kế xốp có thể được phân loại thành năm loại: ultramicropores (< 1 nm), nanopores (1 nm - 1 µm), micropores (1 µm – 62,5 µm), mesopores (62,5 µm - 4 mm), and

macropores (4 mm - 256 mm). Hình 2.8 mơ tả sự đa dạng về kích thước lỗ rỗng của các

loại polyme xốp dùng cho TENG. Cụ thể, chúng có thể được phân loại dựa trên các cấu trúc vật liệu xốp khác nhau, bao gồm hydrogel, aerogel, sợi xốp và foam. Ngồi ra, cịn có thể được phân loại dựa trên thiết kế cấu trúc xốp hoặc các phương pháp chế tạo, chẳng hạn như các phương pháp dựa trên dệt và kéo sợi.

Tùy thuộc vào ứng dụng, vật liệu xốp được chế tạo có kích thước và đặc điểm của các lỗ xốp khác nhau (Hình 2.9). Ví dụ như vật liệu dạng vải hoặc sợi dệt (105 102 m) có tiềm năng ứng dụng cho TENG có khả năng đeo được, mặc được trên cơ thể người. Các thiết bị TENG ứng dụng cho mơi trường khắc nghiệt có tính chịu nhiệt tốt, cấu trúc xốp

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

sử dụng đa dạng từ hyrogel cho đến dạng sợi dệt (109  103 m). Ngoài ra, nhờ vào các ưu điểm đã được đề cập ở trên, vật liệu polyme xốp có thể được ứng dụng vào đa dạng các lĩnh vực, được sử dụng làm chất xúc tác, làm màng lọc/ tách, làm đế để chế tạo vật liệu nano, làm điện cực để lưu trữ năng lượng, ngồi ra cịn được ứng dụng trong y sinh và cho nhiều ứng dụng khác.

Hình 2.9 Đặc điểm kích thước lỗ xốp và các ứng dụng tương ứng trong TENG [39] Đặc tính của vật liệu polyme xốp thường được xác định dựa trên:

 Hình thái cấu trúc: (i) Đặc tính về cấu trúc chủ yếu phụ thuộc vào các kích thước của lỗ xốp. Kích thước lỗ xốp sẽ liên quan trực tiếp đến các thơng số như: diện tích bề mặt, thể tích lỗ xốp, mật độ lỗ xốp. Kích thước lỗ xốp có kích thước càng lớn, mật độ lỗ xốp càng nhỏ, diện tích bề mặt ma sát càng nhỏ, hiệu quả điện đầu ra của TENG

càng thấp và ngược lại. (ii) Nhóm chức trên bề mặt lỗ xốp: ảnh hưởng đến ái lực

electron, tùy thuộc vào mục đích lựa chọn vật liệu xốp để làm vật liệu dương hay âm trong TENG để lựa chọn/ biến tính nhóm chức thích hợp.

 Tính chất điện: Các lỗ rỗng chứa khơng khí trong lỗ xốp có thể làm thay đổi bản chất của vật liệu xốp. Phần lớn các lỗ xốp đều có hiệu ứng làm tăng hiệu quả phát điện của TENG, mức độ cải thiện tùy thuộc vào các cấu trúc xốp khác nhau.

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

 Cơ tính: Các cấu trúc có độ xốp lớn thường có cơ tính kém. Tuy nhiên, Cơ tính của vật liệu xốp phải phù hợp đảm bảo độ bền hoạt động của TENG được duy trì ổn định.  Tính chất quang: Trong một số ứng dụng TENG địi hỏi vật liệu có độ trong suốt cao như e-skin, lớp phủ bề mặt, vật liệu cần có độ truyền qua tốt. Tuy nhiên vật liệu xốp thơng thường sẽ có độ truyền qua kém do sự tán xạ ánh sáng giữa các pha xốp và khí bên trong cấu trúc.

 Tính chất nhiệt: Thiết bị TENG làm việc ở điều kiện môi trường khắc nghiệt địi hỏi vật liệu xốp cần có tính ổn định nhiệt cao. Ở nhiệt độ cao, vật liệu cấu trúc xốp dễ bị sụp đổ cấu trúc và trở thành màng phẳng. Cần lựa chọn vật liệu có bản chất chịu nhiệt cao để chế tạo cấu trúc xốp nhằm cải thiện độ ổn định nhiệt của vật liệu.

Hình 2.10 Các đặc tính vật liệu xốp có ảnh hưởng đến hiệu quả phát điện của TENG [39]

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

2.3.1 Cơ chế tăng cường điện tích của vật liệu xốp

Vật liệu polyme xốp cho thấy tiềm năng lớn với vai trò là một loại vật liệu ma sát hiệu quả cao trong chế tạo TENG với các ưu điểm như: khối lượng nhẹ, diện tích bề mặt lớn, cấu trúc ổn định, phương pháp chế tạo đơn giản, đa dạng, chi phí thấp, khả năng thương mại hóa cao. Bên cạnh chức năng giúp tăng điện tích bề mặt ma sát thơng qua việc giữ lại điện tích ma sát trên bề mặt lỗ xốp. Càng nhiều điện tích ma sát được giữ lại trong lớp điện mơi, càng nhiều điện tích cảm ứng được sinh ra ở lớp điện cực, từ đó hiệu quả đầu ra của TENG càng được cải thiện và duy trì bền vững. Điện mơi được định nghĩa là vật liệu có khả năng truyền điện trường nhưng hạn chế sự chuyển động của điện tích trong phạm vi xa. Diện tích tiếp xúc (S) và mật độ điện tích bề mặt (σ) là hai đặc điểm chính của chất điện mơi, xác định có bao nhiêu điện tích tồn tại trên bề mặt vật liệu. Các điện tích này được truyền giữa các chất điện mơi khi chúng tiếp xúc trong quá trình hoạt động của TENG. Khi tác dụng lực được tác động lên tạo tiếp xúc giữa hai bề mặt, các điện tích trái dấu được tạo ra trong chất điện mơi (Hình 2.11a). Một thơng số quan trọng khác có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phát điện TENG là hằng số điện môi (ε). Khi hai vật liệu ma sát được tách ra, các điện tích cảm ứng tạo ra hình thành dòng điện tử tự do, tạo ra điện áp và dịng điện ở bên ngồi mạch.

Hình 2.11 Khả năng tích trữ điện tích trong lỗ xốp trong quá trình ma sát [39] Thơng qua việc chế tạo cấu trúc khoang xốp trong chất điện mơi, chúng có hiệu quả cao trong việc cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt trong thiết kế của TENG trong bốn khía cạnh sau:

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

iii. Các lỗ rỗng bên trong vật liệu ma sát cịn có thể đóng vai trị làm airgap trong TENG như thể hiện ở Hình 2.11d. Sử dụng chính khoảng hở này như khoảng các trong quá trình tách tiếp xúc tạo ra sự chênh lệch điện thế ở hai điện cực. Điều này đặt tiền đề để chế tạo thiết kế no-gap TENG nhằm thu nhỏ khoảng cách tiếp xúc – tách rời trong quá trình hoạt động.

2.3.2 Phương pháp chế tạo màng xốp

Hình 2.12 Một số phương pháp tạo màng xốp và cấu trúc tương ứng [56]

</div>