Printable energy harvester systems for wearable sensors devices

Abstract

A transformação de energia ambiente em energia elétrica através de materiais poliméricos baseia-se em diversos efeitos físicos como piezoeletricidade, triboeletricidade e termoeletricidade e estão a tornar-se cada vez mais relevantes para o desenvolvimento de dispositivos autoalimentados. As tecnologias avançadas de produção combinadas com as propriedades intrínsecas dos compósitos melhoram o seu desempenho levando a uma melhor integração destes como geradores de energia para sensores e atuadores, cada vez mais utilizados na digitalização da economia e da sociedade. As tecnologias de impressão permitem uma melhor integração com um desenho personalizado, produção à larga escala de baixo custo e maior sustentabilidade. Este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de materiais para a geração de energia elétrica através de diversos efeitos físicos com a utilização de polímeros potencialmente imprimíveis para fornecer energia para dispositivos de baixa potência. Desta forma, as propriedades dielétricas e elétricas destes materiais foram adaptadas para o desenvolvimento de sistemas geradores de energia baseados nos efeitos piezoelétrico, triboelétrico e termoelétrico. Para cada efeito físico estudado, foram desenvolvidos análises e modelos teóricos para a otimização da sua performance. Poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), estireno-etileno/butadieno-estireno e estireno-butadieno-estireno foram reforçados com nanopartículas cerâmicas (titanato de bário e estrôncio), condutores (nanotubos de carbono e grafeno) e materiais inorgânicos (tipo-n e tipo-p) de forma a serem aplicados como geradores de energia ou sensores. A preparação destes materiais foi por evaporação de solvente e as suas propriedades morfológicas, térmicas, mecânicas, elétricas e dielétricas foram analisadas. PVDF e os seus copolímeros assim como polímeros sustentáveis como a celulose, poli(hidroxibutiratoco- hidroxivalerato), poli(L-láctido) e fibroína de seda foram usados para a geração de energia elétrica através de estímulos mecânicos. Assim, geradores piezoelétricos (PENG), triboelétricos (TENG), híbridos (PTENG), assim como termoelétricos (TmENG) foram desenvolvidos, com potências até 11.6 μW, 5.9 mW, 180.4 μW e 2.68 nW, respetivamente. Por fim, PENG transparente e TmENG flexível baseados em PVDF foram desenvolvidos para geração de energia através da respetiva energia mecânica e térmica.

Energy harvesting (EH) from environmental wasted energy to generate electrical energy through polymer materials is based on several physical effects such as piezoelectricity, triboelectricity, and thermoelectricity. These technologies are becoming increasingly relevant for the development of selfpowered devices. Tailored properties of composites combined with advanced manufacturing technologies increase the performance of the materials while improving their integration into EH systems, making them even more attractive to supply energy for devices concerning the sensors and actuators demand for the digitalization of society and the economy. Printing technologies allow custom design, large-scale, and lowcost devices with improved integration and sustainability. The main goal of this work is the development of materials for generating electrical energy through several physical effects using printable polymeric materials to supply energy to low-power sensors. For this purpose, the dielectric and electrical properties of polymer materials have been tailored to develop EH systems based on piezoelectric, triboelectric, and thermoelectric effects. For each physical effect studied, theoretical models and analyses were developed for performance optimization. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF), styrene-ethylene/butylene-styrene and styrene-butadiene-styrene were reinforced with ceramic nanoparticles (barium and strontium titanate), conductive materials (carbon nanotubes and graphene), and inorganic materials (n-type and p-type) to be applied as EH systems or sensors. The polymers were prepared by solvent casting, and their morphological, thermal, mechanical, electrical, and dielectric properties were analyzed. PVDF and its copolymers, as well as sustainable polymers such as hydroxypropyl cellulose, poly(3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), poly(L-lactide), and silk fibroin were used to generate electrical energy through mechanical stimuli. Thus, piezoelectric nanogenerators (PENG), triboelectric nanogenerators (TENG), hybrid piezo-triboelectric nanogenerators (PTENG), and thermoelectric nanogenerators (TmENG) were developed, producing output powers up to 11.6 μW, 5.9 mW, 180.4 μW, and 2.68 nW, respectively. Finally, transparent PENG and flexible TmENG based on PVDF were developed for EH from mechanical and thermal energy, respectively.