Bei den modernen Technologien werden Geräte immer häufiger von der Umwelt mit Energie versorgt, um auf aufwendige Energiequellen zu verzichten. Dabei kommen Nanogeneratoren zum Einsatz. In zahlreichen kleineren Geräten werden Nanogeneratoren erprobt, darunter implantierbare medizinische Geräte, tragbare medizinische Geräte, Fernüberwachungstechnologien, IoT-Technologien und sogar selbstversorgte Luftdesinfektionssysteme – um nur einige der am weitesten entwickelten Bereiche zu nennen, die sich mit den Möglichkeiten der Selbstaufladung befassen, sowie einige der jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet.

Energy Harvesting mit Hilfe von Nanogeneratoren steckt kommerziell gesehen noch in den Kinderschuhen. Das Interesse ist jedoch groß und die Grundlagenforschung an diesen Systemen wird stark vorangetrieben. Dies liegt daran, dass diese Systeme kleine, abgelegene Geräte mit Strom versorgen können, wenn andere Technologien zur Energiespeicherung/-gewinnung aufgrund ihrer Größe oder der Anforderungen an den Stromanschluss weder machbar noch geeignet sind. Mit Nanogeneratoren könnten sich viele kleine Geräte selbst aufladen und Remote-Anwendungen ermöglichen, die sonst vielleicht nicht realisierbar wären. Es werden zwar mehrere verschiedene solcher Nanogeneratoren erforscht und entwickelt, im Folgenden werden wir uns jedoch auf einen der vielversprechendsten und am weitesten entwickelten Nanogeneratoren konzentrieren: den sogenannten triboelektrischen Nanogenerator (TENG).

Triboelektrische Eigenschaften von Materialien nutzen

Nanogeneratoren nehmen eine Form externer Einflüsse auf und nutzen diese, um eine elektrische Ladung zu erzeugen, die ein kleines Gerät mit Strom versorgen kann. In einigen, aber noch nicht weit entwickelten Fällen können sie auch in größerer Zahl eingesetzt und integriert werden, um größere elektronische Systeme zu betreiben. Triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) sind kleine, leichte Geräte, die Bewegung aus ihrer Umgebung aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln. Kurz gesagt: TENGs wandeln mechanische Energie durch eine kontaktinduzierte Elektrisierung in elektrische Energie um.

TENGs basieren auf zwei Grundmechanismen, mit denen mechanische Bewegungen in eine elektrische Leistung umgewandelt werden. Diese Mechanismen sind die Kontaktelektrizität und die Induktion elektrostatischer Ladung. Damit ein TENG die Energie von mechanischer in elektrische Energie umwandeln kann, muss das aktive triboelektrische Material im Gerät zunächst durch die Interaktion mit einem externen Impuls elektrisch aufgeladen werden. Bei diesem Mechanismus der Kontaktelektrifizierung werden Reibungskräfte erzeugt, die anschließend elektrische Ladungen auf der Oberfläche des TENGs erzeugen. Der TENG durchläuft dann eine Phase der Induktion elektrostatischer Aufladung, in der sich die Ladungen der Oberfläche auf die Materialien innerhalb des TENG umverteilen. Diese Umverteilung von Ladungen erzeugt einen elektrischen Strom, der dann alle angeschlossenen kleinen Geräte mit Strom versorgen kann.

Die Erzeugung und Übertragung elektrischer Ladungen durch das TENG hängt von einer Reihe verschiedener physikalischer und chemischer Faktoren ab, darunter Materialverformungen, Bruchstellen, Wärmeerzeugung sowie Elektronen- und Ionentransfer. Viele Faktoren haben Einfluss darauf, ob ein Material gute triboelektrische Eigenschaften aufweist. Es gibt daher keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem triboelektrischen Effekt und grundlegenden Materialeigenschaften. Folglich gibt es keine exakte Theorie, die das Vorhandensein und das Ausmaß der Triboelektrizität eines Materials vorhersagen könnte. Entwickler gehen daher oft nach dem Best-Guess-Prinzip vor, um potenziell geeignete Materialien zu bestimmen und klassifizieren sie nach ihrer Fähigkeit, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen, wenn sie miteinander in Kontakt kommen.

Gründe für die Verwendung von 2D-Materialien in TENGs

Angesichts der Tatsache, dass es nur Vermutungen darüber gibt, ob ein Material aufgrund seiner Fähigkeit, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen, triboelektrisch ist, waren 2D-Materialien aufgrund ihrer geringen Dicke schon bald ein interessanter Kandidat. Diese Materialien sind sehr dünn – in manchen Fällen nur eine, in anderen Fällen nur wenige Atomschichten dick. Dadurch sind die Oberflächen wesentlich aktiver als bei dickeren Materialien, sodass die Elektronen in diesen Nanobereichen wesentlich leichter mit anderen Oberflächen interagieren können. Zudem lassen sich ab dem Nanobereich – insbesondere bei dünnen Oberflächen wie 2D-Materialien – Quanteneffekte beobachten, mit denen die Bewegung von Elektronen auf eine Art und Weise erleichtert wird, die bei dickeren Materialien nicht möglich ist: der sogenannte Tunneleffekt.

Es wurden diverse 2D-Materialien für TENGs getestet. Bei einigen dieser Ansätze wurden die 2D-Materialien allein verwendet, während bei anderen Geräten 2D-Materialien in Verbindung mit Polymeren oder Polymerkompositen eingesetzt wurden. Die meisten 2D-Materialien werden als negative Seite eines triboelektrischen Übergangs verwendet. Das liegt daran, dass 2D-Materialien eher Elektronen von den meisten Materialien aufnehmen, was zu einer negativen Ladungspolarität führt. Dieser Prozess lässt sich durch Dotierung stark modifizieren und wurde in der angewandten Forschung zu 2D-Materialien erfolgreich eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Elektronenaufnahmefähigkeit vieler 2D-Materialien verbessert wird, wenn sie in einem TENG eingesetzt werden.

2D-Materialien sind nicht nur in der Lage, Elektronen aufzunehmen und triboelektrisch auf Reibung und Bewegung in ihrer Umgebung zu reagieren, sondern bieten auch noch weitere Vorteile gegenüber anderen Materialien, einschließlich anderen Nanomaterialien. Insbesondere die hohe Flexibilität, mechanische Festigkeit, Langlebigkeit und Transparenz von 2D-Materialien, die bei einigen anderen Nanomaterialien nicht gegeben ist, führen dazu, dass sie einer hohen mechanischen Belastung standhalten können und sehr langlebig sind. Dies ist eine Schlüsseleigenschaft, da einige der mechanischen Bewegungen und die Reibung manchmal Biegungen (je nach Anwendung) sowie Reibungskräfte mit sich bringen, sodass die triboelektrischen Materialien in der Lage sein müssen, Biegungen und anderen mechanischen Beanspruchungen standzuhalten.

Bei den Versuchen mit den verschiedenen 2D-Materialien für TENGs werden auch Materialien verwendet, die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sind. So sind zum Beispiel Materialien auf Graphenbasis manchmal besser für externe medizinische Geräte geeignet, weil sie flexibler sind als andere 2D-Materialien und sich besser an die Haut des Patienten anpassen. Bislang konnte eine Reihe von Anwendungen, von der Luftdesinfektion über implantierbare Herzschrittmacher bis hin zu tragbaren Überwachungsgeräten, Remote-Sensoren und sogar die Stromversorgung von LED-Fernsehgeräten, mit TENGs als Energiequelle realisiert werden.

Zu den verwendeten 2D-Materialien zählen Graphen und seine Derivate, MXene und Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs). Ein Großteil der Forschung ist in die Graphen-Materialien geflossen, aber die gängigsten sind bisher die TMDCs, wobei Molybdändisulfid (MoS₂) unter den TMDCs besonders hervorsticht.

Für einige Anwendungen wird zwar Graphen bevorzugt, aber Molybdändisulfid gilt insgesamt als eine der vielversprechendsten Optionen, da es einen Quanteneinschränkungseffekt besitzt, der als Ladungsfänger wirkt. Darüber hinaus verfügt es über ein ideales Energielevel für die Übertragung von Elektronen und besitzt eine große Oberfläche. Gegenwärtig weist Molybdändisulfid als allgemeines triboelektrisches Material für TENGs die höchste Ausgangsspannung und den höchsten Strom unter allen 2D-Materialien auf. Die Verwendung von Molybdändisulfid und anderen 2D-Materialien in TENGs hängt jedoch nach wie vor von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab, da die erzeugte elektrische Leistung nicht immer das entscheidende Kriterium für einige Anwendungen ist, denn auch Flexibilität oder Biokompatibilität können wichtige Faktoren sein. Viele verschiedene 2D-Materialien können also die spezifischen Anwendungsanforderungen erfüllen, für die TENGs erprobt und entwickelt werden. Dabei wird sich die Auswahl an Materialien und Anwendungsbereichen in den kommenden Jahren noch deutlich erweitern.

Fazit

Im Vergleich zu sperrigen Materialien und sogar anderen Nanomaterialien bieten 2D-Materialien mehr Vorteile für TENGs. Durch die geringe Dicke von 2D-Materialien entsteht eine aktivere Oberfläche, die eine effizientere Bewegung von Elektronen und eine triboelektrische Wechselwirkung ermöglicht. Durch ihre Flexibilität und mechanische Belastbarkeit lassen sich langlebige TENGs herstellen. Das Interesse an der Entwicklung von TENGs für die Stromversorgung kleiner und ferngesteuerter Geräte ist zwar groß, aber Studien haben gezeigt, dass auch größere elektronische Geräte wie Fernseher mit TENGs betrieben werden können.