Пьезоэлектрическая батарейка: Страница не найдена »

Содержание

Страница не найдена »

Архив публикаций

Архив публикаций Выберите месяц Август 2021 Июль 2021 Июнь 2021 Май 2021 Апрель 2021 Март 2021 Февраль 2021 Январь 2021 Декабрь 2020 Ноябрь 2020 Октябрь 2020 Сентябрь 2020 Август 2020 Июль 2020 Июнь 2020 Май 2020 Апрель 2020 Март 2020 Февраль 2020 Январь 2020 Декабрь 2019 Ноябрь 2019 Октябрь 2019 Сентябрь 2019 Август 2019 Июль 2019 Июнь 2019 Май 2019 Апрель 2019 Март 2019 Февраль 2019 Январь 2019 Декабрь 2018 Ноябрь 2018 Октябрь 2018 Сентябрь 2018 Август 2018 Июль 2018 Июнь 2018 Май 2018 Апрель 2018 Март 2018 Февраль 2018 Январь 2018 Декабрь 2017 Ноябрь 2017 Октябрь 2017 Сентябрь 2017 Август 2017 Июль 2017 Июнь 2017 Май 2017 Апрель 2017 Март 2017 Февраль 2017 Январь 2017 Декабрь 2016 Ноябрь 2016 Октябрь 2016 Сентябрь 2016 Август 2016 Июль 2016 Июнь 2016 Май 2016 Апрель 2016 Март 2016 Февраль 2016 Январь 2016 Декабрь 2015 Ноябрь 2015 Октябрь 2015 Сентябрь 2015 Август 2015 Июль 2015 Июнь 2015 Май 2015 Апрель 2015 Март 2015 Февраль 2015 Январь 2015 Декабрь 2014 Ноябрь 2014 Октябрь 2014 Сентябрь 2014 Август 2014 Июль 2014 Июнь 2014 Май 2014 Апрель 2014 Март 2014 Февраль 2014 Январь 2014 Декабрь 2013 Ноябрь 2013 Октябрь 2013 Сентябрь 2013 Август 2013 Июль 2013 Июнь 2013 Май 2013 Апрель 2013 Март 2013 Февраль 2013 Январь 2013 Декабрь 2012 Ноябрь 2012 Октябрь 2012 Сентябрь 2012 Август 2012 Июль 2012 Май 2012 Апрель 2012 Март 2012 Февраль 2012 Январь 2012 Декабрь 2011 Ноябрь 2011 Октябрь 2011 Сентябрь 2011 Август 2011 Июнь 2011 Май 2011 Апрель 2011 Март 2011 Февраль 2011 Январь 2011 Декабрь 2010 Ноябрь 2010 Октябрь 2010 Сентябрь 2010 Август 2010 Июль 2010 Июнь 2010 Май 2010 Апрель 2010 Март 2010 Февраль 2010 Январь 2010 Декабрь 2009 Ноябрь 2009 Октябрь 2009 Сентябрь 2009 Август 2009 Июль 2009 Июнь 2009 Май 2009 Апрель 2009 Март 2009 Февраль 2009 Январь 2009

Подпишись на новости в Facebook

Наш видеоканал «Про АКБ без Б»

Ученые разработали самозаряжающуюся батарею | Science Debate

Энергетический вопрос как нельзя актуален в нашем мире, потому и любые новости, касающиеся этой сферы, тут же попадают под пристальный взгляд общественности. Не так давно, группа исследователей из Технологического института Джордии, под руководством Чжун Линь Ваном, опубликовала данные о создании самозаряжающейся батареи.

По словам Чжун Линя, новой батарее без надобности подключаться к розетке для возобновления заряда. Дело в том, что батарея, по сути, заряжает себя сама. Нет, конечно, все не так просто. Если говорить научным языком, то батарея заряжается после того как на нее воздействует механическое нажатие, которое заставляет ионы лития мигрировать от катода к аноду в силу пьезоэлектрического эффекта.

Для увеличения эффективности прототипа батареи, команда исследователей добавила пьезоэлектрический материал, наночастицы, которые усиливают соответствующий эффект. Как результат, исследователи получили увеличение не только емкости батареи, но и увеличение скорости подзарядки всего устройства. При этом, сама батарея имеет компактные размеры и на данный момент не превышает в толщину несколько сот микрометров и помещается в стандартном круглом форм-факторе, а стало быть с подзарядкой никаких сложностей не возникнет.

Профессор Чжун Линь Ван (слева) и доктор философии Сихон Ван (справа)

На данный момент ученые смогли добиться от батареи довольно впечатляющих результатов. Используя новую батарею и калькулятор, группе Чжун Линя удалось добиться подзарядки за счет использования энергии нажатия кнопок, в результате чего калькулятор свободно функционировал сутки. Ключевой особенностью батареи стала замена ее полиэтиленового разделителя между двумя электродами литиевой батареи с помощью пьезоэлектрической пленки, в которую разработчики добавили наночастицы цирконат-титанат свинца. Благодаря этому емкость батареи выросла с 0,004 до 0,010 мА/ч и увеличилась скорость зарядки, а по славам команды, уже через год, ее емкость получитсяувеличить более чем в два раза и на этом останавливаться не собираются.

Превращение механической энергии в электрическую

Несомненным фактом является то, что батарея Чжун Линя уже сейчас, на этапах своего развития может угрожать привычной и обычной нам электроники. Многим компаниям просто не выгодно внедрение этого изобретения, однако исследователи не видят в этом проблему, считая, что компании-разработчики мобильных телефонов с радостью примут новую идею. «Телефоны будущего то и дело будут испытывать небольшие изменения и именно в этот момент им пригодятся новые батареи, которые восстанавливают свой энергозапас не только благодаря эксплуатации кнопок или тачскрина, но во время обычной ходьбы» — считает Чжун Линь Ван.

Человек как источник энергии. Сам себе батарейка

Физиологические процессы, такие как метаболизм, дыхание, движение и кровообращение, генерируют различные формы энергии локально и глобально в организме человека.

 

Методы сбора энергии преобразуют механические, тепловые, биоэлектрические и биохимические источники энергии в электрическую энергию. Несмотря на то, что за последнее десятилетие были достигнуты значительные успехи, эти энергетические методы обычно позволяют достичь низкой плотности мощности <0,1 мкВт/мм2 и попрежнему требуют дальнейшего совершенствования для удовлетворения основных требований к микроприборам.

 

Генерация дополнитель ной энергии из организма человека, становится жиз ненно необходима для пита ния, повышения надежности и срока службы имплантируемых сборщиков энергии.

 

Пьезоэлектрические материалы осуществляют обратимое преобразование механической энергии в электрическую за счет линейного взаимодействия между их электрическим и механическим состояниями кристалла. Материалы для сбора энергии включают цирконат титанат свинца и бессвинцовые альтернативы, такие как BaTiO3, Na0,5Bi0,5TiO3 и K0,5 Bi0,5TiO3 из-за их нетоксичности и высокого пьезоэлектрического коэффициента.

 

Минимизация механического несоответствия между устройством сбора энергии и мягкими движущимися тканями имеет решающее значение для производительности и безопасности. Основываясь на ранних работах с пьезоэлектрическими пучками, были продемонстрированы гибкие пьезоэлектрические устройства сбора с использованием гибких подложек, покрытых пьезоэлектрическими нанопроволочками или тонкими пленками.

 

Продолжение статьи читайте в ноябрьском номере журнала «Наука и техника» за 2020 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

 

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой

Батарейка И Тело Человека — Что Общего?

Человек во время отдыха вырабатывает около 100 ватт энергии. В течение нескольких минут наш организм комфортно может выработать 300-400 ватт. А в случае очень коротких энергетических выплесков (к примеру, в спринте) вырабатывается вплоть до 2000 ватт.

Часть этой мощности необходима организму для биение сердца, работы мускулов и т.д. Но остальное расходуется зря — в основном, в виде выделения тепла. Почти все потери энергии можно преобразовать в электричество и зарядить этим батарейку или стать батарейкой самому.

Да, это смахивает на сцену из фильма «Матрица», где Нео пробуждается и понимает, что он и миллиарды других людей служат источниками энергии для машин. И на деле эта идея совсем не лишена здравого смысла.

По сути, современные технологии ограничивает необходимость использования аккумуляторов. Аккумуляторы — крупные и тяжёлые устройства, которые могут принимать ограниченные формы (цилиндры, параллелепипеды). Если бы было возможно «убрать из уравнения» батареи, то вскоре стало бы возможно появление по-настоящему переносных устройств — компьютеров, обёрнутых на запястье, встроенных в обувь, вплетённых в одежду или даже в кожу.

Для этого необходимо лишь научиться добывать несколько ватт из человеческого тела, которое не повредит организму. В случае ощущения лёгкой слабости в теле, потери всегда можно компенсировать баночкой «Кока-Колы», что гораздо удобнее, чем помнить о необходимости всюду таскать за собой зарядку для смартфона.

Все это отнюдь не несбыточная мечта. Инженеры годами работают над способами рекуперации «бесполезной» энергии, начиная от простых методов переработки лишней теплоты, и используя достижения микроэлектроники и нанотехнологий, которые аккумулируют энергию от любого движения. К примеру, на Центральном вокзале Стокгольма установлен теплообменник, с помощью которого тепло, выделяемое проходящими пассажирами, обогревает находящееся рядом 13-этажное офисное здание площадью 28 тыс. кв. метров, сообщает ХАКЕР.ру. Система радует не только своей экологичностью, но и экономией, ведь она позволяет сократить расходы отопления на 25%. Тоже самое можно с лёгкостью повторить в супермаркете в любой точке мира.

Вокзал Стокгольма который частично отапливается теплом человеческого тела.

Год назад появились публикации о создании пьезоэлектрической плёнки. Этот материал можно разместить в любом месте, и он будет вырабатывать электричество от любых движений. К примеру, печатания на клавиатуре или раскачивания рук при ходьбе. Университет штата Висконсин создал обувь, способную аккумулировать 10 ватт (приличное количество энергии!) от простой ходьбы. А Sound Charge T-Shirt создали футболки с пьезоэлектрической пленкой, расположенной в нижней части, которая  превращает любые колебания в электричество.

Единственная причина, по которой технология накопления энергии не так популярна — это её незрелость. Если аккумуляция тепла человеческого тела в больших масштабах (как в Швеции) — довольно простая задача, то до сих пор не существует способа собрать значимое количество энергии, например — с носимых на теле генераторов.

Одна из исследовательских групп университета Саутгемптона использует энергию человеческого сердца при помощи потоков крови, проходящих через турбину. Эта установка используется в качестве источника энергии для электронного сердечного стимулятора. Впрочем, даже эта технология поставляет лишь 17% требуемой мощности для обеспечения работы кардиостимулятора (а это весьма нетребовательное устройство).

Также необходимо исследовать количество мощности, которое можно получить из человеческого организма без последствий для здоровья. К примеру, организм ребёнка может производить лишь 5 ватт, в то время, как профессиональный спринтер Усейн Болт, вероятно, способен обеспечивать электричеством небольшую квартиру.

Ещё существует вероятность того, что вытягивание слишком большого количества ватт из организма заставит его ускоренно сжигать жиры — вполне возможно, что перед нами весьма интересная диета для компьютерных гиков.

Итак, наступает эра людей-батареек. Повсеместное внедрение этой технологии — вопрос лишь времени и исследований. Вероятно, первыми людьми, которые предоставят возможности своих тел для выработки электричества, будут солдаты, которые зачастую перегружены массой оборудования, включая громоздкие аккумуляторы. Если хотя бы несколько ватт можно будет получать напрямую из тепла организма или тряски рюкзаков, то их жизнь серьёзно изменится к лучшему.

Если суперкомпьютер IBM Watson не обретёт разум и не поработит всех, то довольно скоро ботинки и одежда со встроенными генераторами электричества станут повседневностью.

Ну, а мы пока следим за своим здоровьем и ожидаем очередных научных новинок.

В «Сириусе» школьники разрабатывают вечную батарейку для подкожных датчиков

Фото пресс-службы образовательного центра «Сириус»

В образовательном центре «Сириус» школьники создают генератор энергии для вживляемых медицинских имплантатов на основе пьезоэлемента, который при изменении своей формы вырабатывает электричество.

Разработка ведется на направлении «Нанотехнологии» научно-технологической программы «Большие вызовы».

Сейчас вживляемые под кожу датчики, которые позволяют мониторить показатели здоровья человека, работают за счет батареек. Регулярно их приходится менять, причем хирургическим путем. Плюс ко всему, из-за дополнительного элемента питания прибор становится более громоздким.

«Если мы хотим развивать и усложнять устройства вживляемой микроэлектроники, возникает вопрос установки дополнительных источников питания. Автономный пьезоэлектрический генератор сможет создавать энергию для установленного в биотехнике аккумулятора и таким образом увеличит срок его работы», — отметил руководитель проекта, сотрудник Уральского федерального университета имени Б. Н. Ельцина Владимир Южаков.

Основной материал генератора — микро- и нанотрубки дифенилаланина. Это органический пьезоэлектрический материал, который обладает высокими упругими свойствами и биосовместимостью. 

Прототип созданного школьниками пьезогенератора в конце июля представят на фестивале проектов «Больших вызовов». Кроме того, результаты исследований и работы ребят ученые смогут использовать в будущем для того, чтобы усовершенствовать изобретение, сообщает пресс-служба образовательного центра «Сириус».

Читайте также: в «Сириусе» школьники разработали аппарат GasHopper. Он позволит исследовать Марс, а также искать на нем воду.

Изобретение передвигается прыжками за счет сжатого газа, которым очень богаты марсианские полярные шапки.

В МТИ предлагают подводную систему навигации на звуке, работающую без батарейки

В Массачусетском технологическом институте (МТИ) создали акустическую систему навигации, работающую без батареи. Система под названием Underwater Backscatter Localization (UBL) отражает звуковые сигналы из окружающей среды. В МТИ рассчитывают, что UBL поможет исследовать глубины океана и будет полезна учёным-климатологам и ВМС.

Практически во всём мире для работы навигаторов используется технология GPS. Радиосигналы, передаваемые через спутник, применяются в судоходстве, навигации, таргетированной рекламе и многом другом. Под водой радиосигналы работают хуже, поэтому подводная связь часто построена на акустике. Звуковые волны распространяются под водой быстрее и дальше, чем по воздуху, что делает их эффективным способом передачи данных.

У акустических систем есть и свой недостаток. Навигаторы, использующие звук, относительно быстро разряжаются. Это затрудняет точное отслеживание объектов или животных в течение длительного периода времени: замена батареи становится непростой задачей, когда устройство прикреплено к мигрирующему киту.

Исследователи МТИ решили разработать навигатор без батареи. Для этого они использовали пьезоэлектрические материалы, которые генерируют электрический заряд в ответ на механическое воздействие, например, на вибрирующие звуковые волны. Затем пьезоэлектрические датчики могут использовать этот заряд, чтобы отразить звуковые волны обратно в окружающую среду. Приёмник преобразует эту последовательность отражений в последовательность единиц и нулей. Полученный двоичный код может нести информацию о температуре или солености океана.

Чтобы с помощью кода получить информацию о местоположении объекта, учёные использовали метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты Вместо того, чтобы посылать акустические сигналы на одной частоте, устройство наблюдения отправляет последовательность сигналов в диапазоне частот. Каждая частота имеет разную длину волны, поэтому отраженные звуковые волны возвращаются к устройству наблюдения в разных фазах. Комбинируя информацию о времени и фазе, наблюдатель может точно определить расстояние до устройства.

Сейчас команда МТИ работает над улучшением технологии UBL, решая такие проблемы, как конфликт между низким битрейтом, необходимым для определения местоположения на мелководье, и высоким битрейтом, необходимым для отслеживания движущихся объектов. Технологию протестировали в реке Чарльз в Массачусетсе. Испытания подтвердили правильность концепции в сложных условиях мелководья: UBL оценил расстояние между передатчиком и узлом обратного рассеяния на различных расстояниях почти до полуметра.

Теперь в МТИ планируют протестировать систему в Океанографическом институте Вудс-Хоул. Учёные надеются, что UBL поможет разжечь бум в освоении океана.

«Карты поверхности Луны качественнее, чем карты дна океана. Почему мы не можем отправить беспилотные подводные аппараты на миссию по исследованию океана? Ответ: мы их потеряем», — заявляет один из авторов технологии Реза Гаффаривардаваг.

Помимо этого, в МТИ рассчитывают, что когда-нибудь UBL сможет помочь автономным транспортным средствам ориентироваться под водой, не тратя энергию аккумулятора. Эта технология также позволит подводным роботам работать более точно и предоставить информацию о воздействиях изменения климата на океан.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

   Всем хорошо знакомы пьезоэлектрики. Они нашли широкое применение в современной технике и используются в зажигалках для газа, в аудио технике. Небольшие пьезоэлектрические головки можно найти в игрушечных машинках, шкатулках и так далее. Но не все знают их скрытые способности. Такая головка — маломощный генератор электрического тока!

   При сжимании, она вырабатывает напряжения до 5 вольт. Пьезоэлектрические головки можно сказать валяются на каждом углу, только стоит хорошо поискать. Ток они вырабатывают достаточный, чтобы питать например светодиод. Сейчас я представлю способ при помощи которого можно получить вполне приличное напряжение для питания маломощных устройств. Несколько таких головок нужно соединить параллельно для увеличения тока, при использовании 3-х пьезоголовок, сила тока возрастет до 100 мА!

   Накапливать ток можно в любом аккумуляторе с напряжением 1,2 вольт, например никелевая батарейка, далее напряжение батарейки повышается при помощи простейшего преобразователя, о конструкции которого я вам расскажу в следующих статьях. Схема этого преобразователя взята от солнечного зарядного устройства для мобильного телефона. Устройство поднимает напряжение от батарейки до 6 вольт, на выходе ток 0,5 ампер, кпд устройства свыше 90%! Но вернемся к нашему источнику энергии.

   Итак, после окончания технических работ, для получения тока нужно всего лишь сжимать устройство пальцами, конструкция проста до безобразия, отличная штука для новичков, ведь любой человек который способен отличать плюс от минуса сможет собрать такой генератор. Смотрите практические испытания пьезоэлектриеского генератора на видео: 

   Подробнее рассказывать о схеме ничего не нужно, думаю все и так понятно: диоды не допускают обратного тока, использовать можно практически любые диоды, желательно Шоттки, поскольку у них наименьшее падение напряжения на переходе. Автор — АКА.

Originally posted 2019-01-15 09:35:57. Republished by Blog Post Promoter

Самозарядные элементы питания и батареи: что это такое?

Обычно мы думаем о производстве и хранении энергии как о двух разных процессах, требующих двух отдельных устройств, но недавние достижения показали, что на самом деле мы можем делать и то, и другое с помощью всего одного устройства. Исследования самозарядных элементов питания и аккумуляторов продолжают ускоряться, поскольку элементы становятся более эффективными, а потребности электроники в энергопотреблении снижаются.

Эти самозарядные элементы питания работают путем преобразования механической энергии, энергии, связанной с движением и положением объекта, в химическую энергию. Технологии могут выделять преобразованную энергию в виде электрического тока, который может питать другие устройства. Самозарядные батареи могут повысить эффективность использования энергии, уменьшить вес и размер наших электронных устройств и, возможно, даже оставить разряженные батареи в прошлом.

Что такое сбор энергии?

Критически важным для технологии самозарядных элементов питания является концепция сбора энергии, которая представляет собой сбор «свободной» энергии, генерируемой процессом.

Это включает в себя всевозможные процессы, и получаемая энергия может поступать в различных формах и из разных источников. Эта мощность могла возникнуть, например, из-за неэффективности более традиционных форм производства электроэнергии. В 2013 году мы потеряли примерно 65 процентов энергии, вырабатываемой объектами природного газа, угля, атомной энергетики и нефти. Шесть процентов теряется при передаче и распространении.

Мы также можем получать энергию из источников окружающей среды, таких как солнце и ветер.Примеры меньшего масштаба включают тепло от печей и механическую энергию, создаваемую ходьбой или вождением. Большая часть работы по сбору энергии до сих пор выполнялась с использованием небольших приложений, таких как батареи для небольших устройств. Например, когда вы используете свой смартфон, часть энергии тратится в виде тепла.

Сбор энергии, также известный как сбор энергии, позволяет нам улавливать эту энергию, преобразовывать ее в пригодную для использования форму и направлять в полезное приложение.

Проблемы создания самозарядных элементов питания

Подобные природные и промышленные процессы всегда создавали избыточную энергию, но это происходило в малых дозах, которые мы не могли уловить и использовать в прошлом. Поскольку энергия обычно возникает в небольших количествах, технология, используемая для ее захвата, должна быть чрезвычайно эффективной, чтобы получить достаточно энергии, чтобы быть полезной. Ему также необходимо достаточно долго хранить энергию, чтобы она была доступна при необходимости.

Кроме того, энергия должна быть правильно преобразована для использования по назначению, но при этом должна выдерживаться нерегулярная подача.Может быть сложно точно определить, сколько заряда будет создано. Эти нарушения также сделали технологии сбора энергии довольно ненадежным способом получения энергии. Пользователи не могли полагаться на него, и это ограничивало его использование.

Поскольку входной сигнал нерегулярный, устройство улавливания энергии должно быть готово генерировать энергию и обеспечивать выходную мощность всякий раз, когда это необходимо пользователю. Такая активность не может отнять слишком много энергии, потому что энергия поступает в малых дозах, и эта энергия будет необходима для выполнения желаемой функции.

Короче говоря, самозарядный силовой элемент должен иметь возможность генерировать, хранить и управлять энергией с высокой эффективностью, чтобы работать достаточно хорошо, чтобы выполнять полезную функцию.

Типы самозарядных элементов питания

В последние годы появилось несколько различных технологий для выработки и хранения энергии в одном устройстве.

Каждый из них лучше всего подходит для различных типов устройств и имеет уникальные задачи и преимущества. Три основных типа — это радиочастотные, солнечные и пьезоэлектрические элементы.

1. Радиочастота

Стартап под названием Nikola Labs разработал чехол для смартфона, который подключается к нижней части телефона и заряжает его, преобразуя радиоволны, получаемые телефоном от вышек сотовой связи и беспроводных маршрутизаторов, в энергию, которую устройство может использовать для работы. Nikola утверждает, что его зарядное устройство может продлить срок службы аккумулятора смартфона на 25–30 процентов. Это работает, потому что он расположен так близко к радиопередатчику телефона и улавливает волны, которые телефону не нужны для связи.

2. Солнечная

Исследователи также приближаются к созданию самозарядной батареи, работающей от света. Исследователи из Университета Макгилла в партнерстве с Hydro-Québec включили молекулы фотохимического красителя в катод литий-ионной батареи, что позволило батарее использовать свет для зарядки. Сейчас проект переходит на второй этап, который включает создание хранилища ячейки. Если им удастся создать небольшой рабочий анод для хранения солнечной энергии, мы сможем использовать его для зарядки смартфонов и других небольших устройств.

3. Пьезоэлектрический

Один из наиболее многообещающих методов создания самозарядных силовых элементов использует пьезоэлектрический материал для преобразования механической энергии непосредственно в химическую энергию. Исследователи из Технологического института Джорджии недавно опубликовали исследование устройства, которое делает именно это.

Проект начался с литий-ионного аккумулятора монетного типа. Исследователи заменили полиэтиленовый разделитель между двумя электродами внутри батареи пленкой из поливинилидендифторида или ПВДФ.Благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам, когда PVDF находится под приложенным напряжением, он генерирует заряд, который заставляет ионы лития перемещаться от катода к аноду, заряжая аккумулятор.

В экспериментах прикрепление устройства к обуви и ходьба обеспечивают достаточную силу для его зарядки. Сила с частотой 2,3 Гц увеличила напряжение устройства с 327 до 395 мВ за четыре минуты. Это представляет собой увеличение напряжения на 65 мВ по сравнению с силовым элементом с обычным полиэтиленовым слоем, разделяющим литий-ионную батарею и пьезоэлектрический генератор из ПВДФ.Процесс преобразования механической энергии в химическую энергию оказался значительно более эффективным, чем преобразование механической энергии в электрическую, а затем в химическое накопление энергии, которое используется в традиционных батареях.

Когда ионы достигают равновесия, заряд прекращается. После того, как приложенное напряжение прекращается, с материалом анода образуется новое соединение, которое позволяет накапливать эту энергию. Это позволяет вам контролировать, когда вы высвобождаете энергию, которая, как и в традиционных батареях, использует реакции электрохимического восстановления-окисления для получения тока примерно в один микроампер (мкА).

Эти результаты в основном применимы к небольшим устройствам, таким как смартфоны. Исследователи также показали, что их устройство может заряжаться и при более высоком напряжении, поэтому в будущем у него может быть больше возможных применений. Пьезоэлектрическая электроника может генерировать только небольшое количество заряда в любой момент времени, а это означает, что перед использованием необходимо накапливать и накапливать энергию. Это создает проблемы для использования технологии в больших масштабах. Дальнейшие исследования и разработки могут сделать это более осуществимым.

В APC International мы поставляем пьезо-изделия, такие как пьезокерамика, пьезоэлектрические преобразователи, пьезоустройства, а также услуги по поддержке пьезоприложений. Мы предоставили пьезоэлектрическую керамику для сбора энергии. Для этих целей мы рекомендуем APC 850, керамический элемент, изготовленный из цирконата-титаната свинца (PZT).

Роль пьезоэлектрической теории в получении энергии

Пьезоэлектрическая энергия использовалась во множестве прототипов, экспериментальных проектов и небольших приложений, связанных со сбором энергии.Эта технология еще молода, но она предлагает захватывающие перспективы на будущее. Но как эти материалы генерируют энергию?

Впервые обнаруженный в 1880 году, пьезоэлектрический эффект описывает характеристику некоторых кристаллических минералов, которая заставляет их электрически поляризоваться при приложении к ним механической силы. Когда эти материалы подвергаются растяжению и сжатию, они генерируют напряжения, пропорциональные силе и противоположной полярности.Механическая сила, действующая на пьезоэлектрический керамический элемент с поляризацией, создает напряжение, изменяя дипольный момент элемента — меру чистой молекулярной полярности.

Верно и обратное этому эффекту. Когда кристаллы контактируют с электрическим полем, они удлиняются или укорачиваются в зависимости от силы и полярности поля.

Пьезоэлектрический эффект создает генераторные действия, а его обратный — двигательные.Пьезоэлектрический эффект преобразует механическую энергию в электрическую и может использоваться в твердотельных батареях, устройствах зажигания топлива, устройствах измерения силы и других приложениях. Обратный пьезоэлектрический эффект преобразует электрическую энергию в механическую и может использоваться в пьезоэлектрических двигателях, устройствах, генерирующих звук или ультразвук, и других инструментах.

Напряжения и силы пьезоэлектрического эффекта относительно невелики, но их все же можно использовать для широкого спектра применений, таких как определение смещения, приложения срабатывания в двигателях, которые требуют точного управления позиционированием и создания звуковых сигналов.

В большинстве пьезоэлектрических устройств, предназначенных для сбора энергии, используются два слоя пьезоэлектрического материала, прикрепленные к непьезоэлектрическому слою, известному как биморф, с архитектурой консольной геометрии. Некоторые также используют униморф, который состоит всего из одного слоя, хотя он производит вдвое меньше энергии при относительно небольшом уменьшении объема.

Иногда комбайны для сбора энергии вне резонанса могут использоваться в качестве альтернативной архитектуры для сборщиков энергии.Эти архитектуры включают пьезоэлектрические стеки и преобразователи тарелок, которые имеют высокую жесткость и собственную частоту более одного кГц, что больше, чем у большинства естественных колебаний.

Они также имеют низкую чувствительность к приложенному напряжению, что ограничивает их способность собирать энергию от низкоамплитудных колебаний окружающей среды. Однако они могут выдерживать большую механическую нагрузку, чем консольные харвестеры, что позволяет им достигать более высокого выхода энергии.

Пьезоэлектрический сбор энергии можно применять в масштабах от пьезоэлектрических полов размером в несколько квадратных метров до субмикронных массивов нанопроволок.По размеру эти комбайны можно разделить на

.

— Макро- и мезомасштаб
— Шкала МЭМС
— Наномасштаб

Устройства, требующие ручной сборки и соединения, можно разделить на макро- и мезомасштаб. Устройства, изготовленные с использованием стандартных методов фотолитографии, считаются масштабом MEMS. Устройства, в которых используются пьезоэлектрические нанопроволоки, представляют собой наноразмерные сборщики энергии.

Роль пьезоэлектрических материалов в получении энергии

Пьезоэлектрическая керамика на основе оксидов металлов — это искусственные материалы, которые позволяют применять пьезоэлектрический эффект во многих различных областях.Мы можем скорректировать форму, размеры и состав этих материалов, чтобы они лучше соответствовали потребностям индивидуальных проектов.

Обычная пьезоэлектрическая керамика представляет собой группу керамических кристаллов перовскита, которая состоит из небольшого иона четырехвалентного металла, обычно циркония или титана, в решетке из более крупных ионов двухвалентного металла, обычно бария или свинца, и ионов O2.

PZT, или цирконат-титанат свинца, в настоящее время является одним из наиболее часто используемых пьезоэлектрических керамических элементов.Мы предлагаем пять запатентованных пьезоматериалов — APC 880, APC 855, APC 850, APC 841 и APC 840.

Как пьезоэлектрические самозарядные батареи сравниваются с литий-ионными батареями?

Напряжение, обеспечиваемое как литий-ионными батареями, так и самозарядными пьезоэлектрическими батареями, может варьироваться от ячейки к ячейке, но ионы лития обеспечивают более сильный ток, чем современные пьезоэлектрические конструкции по всем направлениям. Обычно номинальное напряжение элемента для литий-ионной батареи может быть около 3.6 вольт. Пьезоэлектрические самозарядные батареи все еще являются молодой технологией, а это означает, что они, вероятно, станут более эффективными в будущем.

Конечно, основным преимуществом использования самозарядного пьезоэлемента по сравнению с обычным литий-ионным аккумулятором является то, что вам не нужен источник постоянного тока для его зарядки. Все, что вам нужно, это механическое усилие, а это значит, что вы можете заряжать эти батареи где угодно. Несмотря на то, что они обеспечивают относительно небольшое количество энергии, они превосходят литий-ионные батареи в ситуациях, когда нет обычного источника зарядки.

Каково будущее пьезоэлектрических самозарядных элементов питания?

Будущее самозарядных пьезоэлектрических батарей многообещающе. Мы продолжим видеть улучшения в производительности и эффективности, а также внедрение новых приложений.

Исследователи Технологического института Джорджии предсказали, что они могут улучшить характеристики своих элементов с помощью нескольких модификаций, в том числе использования более гибкого корпуса, чтобы пьезоэлектрический материал мог расширяться дальше.Мы также, вероятно, увидим улучшения, которые позволят генерировать и накапливать больший заряд и более эффективные методы управления энергией. Другие технологии самозарядки также, вероятно, появятся и будут продолжать совершенствоваться, и их сочетание с пьезоэлектрическими веществами может дать полезные результаты.

В настоящее время пьезоэлектрические элементы питания в основном существуют в виде прототипов или апробированных устройств, питающих небольшие устройства, такие как смартфоны. В относительно ближайшем будущем мы можем увидеть, как они попадают в руки потребителей.Мы также можем видеть, как военные или полиция начинают использовать их для поддержания заряда своего оборудования, когда они передвигаются во время дежурства.

Со временем мы сможем использовать пьезоэлектрические батареи в больших масштабах и удовлетворить более высокие потребности в энергии. Мы можем представить его использование для улавливания механической энергии, создаваемой автомобилями, движущимися по дороге, и использование этой энергии для питания этих транспортных средств или для питания близлежащих зданий. Он может помочь нам сократить количество энергии, которую мы теряем из-за тепла и других причин потерь энергии.

Пьезоэлектрические системы и решения

В APC international мы поставляем пьезоэлектрические изделия и услуги, необходимые для систем сбора энергии, а также для многих других целей. Как упоминалось ранее, мы предлагаем наш элемент APC 850 PZT для использования при сборе энергии.

Energy collection — не единственное, для чего наши клиенты используют наши пьезоэлектрические изделия. На самом деле, это относительно редкое приложение, потому что технология настолько нова. Мы предлагаем широкий спектр пьезоэлементов, продуктов и услуг, включая пьезодиски, кольца, пластины и цилиндры, приводы стеклопакетов, усилители, воспламенители и многое другое.Мы также предлагаем индивидуальные пьезоэлектрические решения и информационные ресурсы, такие как наш более чем 100-страничный учебник по принципам и применению пьезокерамики.

Свяжитесь с нами сегодня

Просмотрите нашу подборку продуктов и услуг, чтобы найти идеальное пьезо-решение для требований вашего проекта, и не стесняйтесь обращаться к нам с любыми вопросами.

Статьи по теме из APC International

Могут ли пьезо питать мой сотовый телефон при ходьбе

Меня часто спрашивают, является ли использование сборщиков энергии пьезоэлектрических вибраций в обуви для ходьбы эффективным способом получения энергии.Очень умная старшеклассница Натали Вулф использовала некоторые из наших продуктов в проекте научной ярмарки, чтобы выяснить, эффективны ли они. Натали выиграла свою категорию на ярмарке естественных наук для средних школ Spring Ridge. Затем Натали выиграла следующие награды: Patuxent Partnership Award; Премия Общества Audobon; Премия Общества женщин-инженеров; и Международный совет по системной инженерии — Премия (INCOSE)… Я сказал вам, что она была умной!

Это быстрый пост Натали, в котором подробно описывается ее опыт использования пьезоэлектрических сборщиков энергии в обуви.


Зарядка мобильного телефона при ходьбе

Цель:

Чтобы проверить, могут ли пьезоэлектрические устройства для сбора энергии, помещенные в обувь, вырабатывать достаточно энергии для зарядки сотового телефона.

Дизайн:

Моя конструкция включала два типа пьезоэлектрических сборщиков энергии — в том числе конструкцию V21BL (более длинную) и конструкцию V21B (укороченную). Эти две панели были помещены между двумя вставками из пенопласта для обуви и закреплены изолентой для упрощения конструкции прототипа.

Перед формированием вставки к контактам припаивались провода, поэтому пьезоэлектрические панели можно было тестировать в последовательной и параллельной конфигурациях с помощью осциллографа для измерения напряжений. Панели V21BL и V21B были размещены рядом рядом с подушечкой стопы, чтобы обеспечить адекватный прогиб при нормальной ходьбе.

В конструкцию также входил базовый мостовой выпрямитель (преобразование переменного тока в положительный) и конденсатор (для хранения электрического заряда).

Тестирование:

Во-первых, для измерения выходного напряжения панели были протестированы с использованием веса в пятьдесят фунтов с имитацией ножного механизма и без каких-либо других частей электрической цепи.

Затем они были протестированы с использованием мостового выпрямителя и конденсатора по отдельности и, наконец, все вместе в качестве полной электрической схемы сбора урожая. В качестве тестового сценария заряд, накопленный в конденсаторе от ваших пьезоэлектрических панелей, был использован для освещения небольшого светодиода от старого зарядного устройства для телефона.Тест успешно зажег светодиод, но только на очень короткое время.

Заключение:

К сожалению, количество энергии, накопленной во время цикла зарядки (который требовал большого количества шагов), было очень маленьким, и для зарядки сотового телефона, просто используя ходьбу в одиночку, потребовалось бы нереалистичное количество циклов зарядки. По моим подсчетам, это было примерно 564 971,78 циклов зарядки, что в лучшем случае составило 2118 644 250 шагов. Это также означает, что потребуется 706 214 человека.75 часов для зарядки мобильного телефона. Итак, я пришел к выводу, что хотя такое устройство можно было зарядить с помощью пьезоэлектрических материалов, это было не очень практично.

Во время этого научного проекта я многое узнал о производстве, хранении и рассеивании электроэнергии.

С уважением,

Натали Вулф


Спасибо, Натали! Она явно проделала отличную работу, о чем свидетельствуют все награды! Я часто замечаю, что люди надеются, что сбор пьезоэлектрической энергии можно будет использовать в качестве источника питания в очень энергоемких приложениях, таких как зарядка сотового телефона.У меня даже были клиенты, которые интересовались зарядкой автомобильного аккумулятора! Как продемонстрировала Натали, сбор пьезоэлектрической энергии плохо подходит для зарядки сотовых телефонов и / или сбора энергии от движения человека. Однако сбор пьезоэлектрической энергии отлично подходит для приложений, которые имеют относительно высокочастотную вибрацию (более 20 Гц, что намного быстрее, чем в приложениях, основанных на человеке) и где общая требуемая энергия минимальна, например, для периодических измерений в приложениях для мониторинга состояния здоровья.

Не стесняйтесь подписаться на этот блог, чтобы получить больше информации и поделиться некоторыми своими впечатлениями о пьезоэлементах в качестве сборщиков энергии вибрации.

Пьезоэлектричество — как это работает?

Вы, наверное, использовали пьезоэлектричество (произносится как «пи-ай-зо-электричество») довольно много раз сегодня. Если у вас есть кварцевые часы, пьезоэлектричество — это то, что помогает ему сохранять регулярное время. Если ты был написать письмо или сочинение на вашем компьютере с помощью программное обеспечение для распознавания голоса, микрофон, в который вы говорили, вероятно, использовал пьезоэлектричество, чтобы превратить звуковую энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые ваш компьютер может интерпретировать.Если ты немного аудиофил и любит слушать музыку на виниле, ваш граммофон использовал бы пьезоэлектричество, чтобы «читать» звуки из ваши пластинки. Пьезоэлектричество (буквально «давящее электричество») намного проще, чем кажется: это просто означает использование кристаллов для преобразования механической энергии в электричество или наоборот. Давайте подробнее разберемся, как это работает и почему это так полезно!

Фото: пьезоэлектрический привод, используемый НАСА для различных испытаний. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Что такое пьезоэлектричество?

Выдавите определенные кристаллы (например, кварц), и вы сможете электричество проходит через их. Обычно верно и обратное: если вы пропускаете электричество через те же кристаллы они «сжимаются», вибрируя взад и вперед. Вкратце, это пьезоэлектричество но, ради науки, дадим формальное определение:

Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) — это появление электрического потенциала (другими словами, напряжения) через стороны кристалла, когда вы подвергаете его механическому стресс (сжимая его).

На практике кристалл становится своего рода крошечный аккумулятор с положительным зарядом на одной грани и отрицательным зарядом на противоположном лице; ток течет, если мы соединим две грани вместе, чтобы сделать схему. В обратном пьезоэффекте кристалл становится механически напряженным (деформируется по форме), когда напряжение приложено к его противоположным граням.

Что вызывает пьезоэлектричество?

Представьте кристалл, и вы, вероятно, представите шары (атомы), закрепленные на стержнях (связях, которые держите их вместе), что-то вроде рамы для лазанья.Теперь кристаллами, ученые не обязательно имеют в виду интригующие кусочки камня, которые вы найдете в сувенирных магазинах: кристалл — научное название любого твердый, чей атомы или молекулы расположены очень упорядоченным образом на основе бесконечное повторение одного и того же основного строительного блока атома (называется элементарной ячейкой). Так кусок железо — это такой же кристалл, как и кусок кварца. В кристалле то, что мы имеем, на самом деле меньше похоже на карабин. (который не обязательно имеет упорядоченную повторяющуюся структуру) и больше нравятся объемные, узорчатые обои.

Изображение: Что ученые подразумевают под кристаллом: правильное, повторяющееся расположение атомов в твердом теле. Атомы практически неподвижны, но могут слегка колебаться.

В большинстве кристаллов (например, металлов) элементарная ячейка (основная повторяющаяся единица) симметрична; в пьезоэлектрических кристаллах это не так. Обычно пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны: атомы внутри них не могут быть симметрично расположены, но их электрические заряды идеально сбалансированный: положительный заряд в одном месте нейтрализует отрицательный зарядить поблизости.Однако если сжать или растянуть пьезоэлектрический кристалл, вы деформируете структуру, подталкивая некоторые атомы ближе вместе или дальше друг от друга, нарушая баланс положительного и отрицательный и вызывает появление чистых электрических зарядов. Этот эффект пронизывает всю структуру, так что чистые положительные и отрицательные заряды появляются на противоположных внешних гранях кристалла.

Обратный пьезоэлектрический эффект происходит наоборот. Положите напряжение на пьезоэлектрическом кристалле, и вы подвергаете атомы внутри него к «электрическому давлению».»Они должны двигаться чтобы сбалансировать себя — и это то, что вызывает пьезоэлектрические кристаллы деформироваться (слегка менять форму) при подаче напряжения через них.

Для чего используется пьезоэлектричество?

Фото: Типичный пьезоэлектрический преобразователь. Это звонок в моем стационарном телефоне: он издает особенно пронзительный и ужасный щебечущий звук, когда звонит телефон!

Есть все виды ситуаций, когда нам нужно преобразовать механическую энергию (давление или какое-либо движение) в электрические сигналы или наоборот.Часто мы можем сделайте это с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователь — это просто устройство, которое преобразует небольшое количество энергии из одного вида в другой (например, преобразование света, звука или механического давления в электрические сигналы).

В ультразвуковом оборудовании пьезоэлектрический преобразователь преобразует электрическую энергию в чрезвычайно быстрые механические колебания — фактически настолько быстрые, что он издает звуки, но слишком высокие, чтобы наши уши могли их услышать. Эти ультразвуковые колебания можно использовать для сканирование, чистка и многое другое.

В микрофоне нам нужно преобразовать звуковая энергия (волны давления, проходящие через воздух) в электрическую энергию — и это что-то пьезоэлектрическое кристаллы могут нам помочь. Просто приклейте вибрирующую часть микрофон к кристаллу и, как волны давления от вашего голоса прибыть, они заставят кристалл двигаться вперед и назад, генерируя соответствующие электрические сигналы. «Игла» в граммофоне (иногда называемый проигрывателем) работает противоположным образом. Как игла с ромбовидным наконечником движется по спиральной канавке на вашем LP, это неровности вверх и вниз.Эти колебания толкают и тянут легкий пьезоэлектрический кристалл, производящий электрические сигналы, которые ваша стереосистема затем преобразует обратно в слышимые звуки.

Фото: Стилус проигрывателя (сфотографировано снизу): Если вы все еще проигрываете пластинки LP, вы воспользуетесь таким стилусом, чтобы преобразовать механические удары на пластинке в звуки, которые вы слышите. Стилус (серебряная горизонтальная полоса) содержит крошечный кристалл алмаза (маленькая точка на конце справа), который подпрыгивает вверх и вниз в канавке для пластинки.Вибрации искажают пьезоэлектрический кристалл внутри желтого картриджа, который производит электрические сигналы, которые усиливаются, чтобы издавать звуки, которые вы слышите.

В кварцевых часах или часах обратный пьезоэлектрический эффект используется для очень точного отсчета времени. Электрическая энергия от батареи подается в кристалл, чтобы заставить его колебаться тысячи раз в секунду. Затем часы используют электронная схема, которая превращает это в более медленные удары с частотой один раз в секунду что крошечный мотор и некоторая точность шестеренки используются для вращения секундной, минутной и часовой стрелок на циферблате.

Пьезоэлектричество также используется, гораздо более грубо, в искровых зажигалках для газовых плит и барбекю. Нажмите выключатель прикуривателя, и вы услышите щелчок и вижу, как появляются искры. Что вы делаете, когда нажимаете переключатель, сжимает пьезоэлектрический кристалл, генерируя напряжение, и заставляя искру лететь через небольшой промежуток.

Если у вас на столе стоит струйный принтер, он использует точные «шприцы» для разбрызгивания капель чернила на бумаге. Некоторые струйные принтеры распыляют свои шприцы с помощью пьезоэлектрических кристаллов с электронным управлением, которые сжимают их «поршни» внутрь и наружу; Canon Bubble Jets поджигает чернила, вместо этого нагревая их.(Более подробную информацию об обоих методах вы найдете в нашей статье о струйных принтерах.)

Фото: НАСА экспериментировало с использованием пьезоэлектрических материалов для уменьшения вибрации и шума от быстро вращающихся роторов вертолетов. Фото любезно предоставлено НАСА.

Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?

Если вы можете получить крошечный кусочек электричества, нажав один раз на один пьезоэлектрический кристалл, сможете ли вы получить значительное количество, нажимая много кристаллов снова и снова? Что, если мы закопаем кристаллы под городскими улицами и тротуарами, чтобы улавливать энергию при проезде автомобилей и людей? Эта идея, известная как сбор энергии , вызвала интерес многих людей.Изобретатели предложили всевозможные идеи для хранения энергии с помощью скрытых пьезоэлектрических устройств, от обуви, которая преобразует ваши движения при ходьбе в тепло, чтобы согреть ноги, и мобильных телефонов, которые заряжаются от движений вашего тела, до дорог с питанием уличных фонарей, контактных линз, которые фиксируют энергия, когда вы моргаете, и даже гаджеты, которые получают энергию от напора падающего дождя.

Работа: Сбор энергии? Изобретатели зарегистрировали множество патентов на носимые устройства, которые будут генерировать небольшое количество электричества от движений вашего тела.Этот пример представляет собой обувь со встроенным пьезоэлектрическим преобразователем (1), который подпрыгивает вверх и вниз, когда вы идете, отправляя электричество в цепь (2), а затем накапливая его в батарее (3).

Сбор энергии — хорошая идея? На первый взгляд все, что сводит к минимуму потери энергии и повышает эффективность, звучит действительно разумно. Если бы вы могли использовать пол продуктового магазина, чтобы улавливать энергию ног спешащих покупателей, толкающих свои тяжелые тележки, и использовать ее для питания освещения магазина или его холодильных шкафов, безусловно, это должно быть хорошо? Иногда сбор энергии действительно может обеспечить приличное, хотя и довольно скромное количество энергии.

Проблема, однако, в том, что схемы сбора энергии могут сильно отвлекать от лучших идей. Рассмотрим, например, концепцию строительства улиц с пьезоэлектрическими «грохочущими полосами», которые поглощают энергию проезжающего транспорта. Автомобили — крайне неэффективные машины, и лишь небольшое количество (около 15 процентов) энергии, содержащейся в их топливе, позволяет вам двигаться по дороге. Только часть этой фракции доступна для извлечения с дороги — и вы не сможете извлечь всю эту часть со 100-процентной эффективностью.Таким образом, количество энергии, которое вы могли бы практически восстановить, и повышение эффективности, которое вы могли бы получить за потраченные деньги, были бы ничтожными. Если вы действительно хотите сэкономить электроэнергию, получаемую от автомобилей, разумный способ сделать это — решить проблему неэффективности автомобильной транспортировки гораздо раньше; например, создавая более эффективные двигатели, побуждая людей делиться автомобилями, переходя с бензиновые двигатели электромобили и тому подобное.

Нельзя сказать, что сбор энергии не имеет места; это может быть действительно полезно для зарядки мобильных устройств с использованием энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую.Представьте, например, мобильный телефон, который автоматически заряжается каждый раз, когда он трясется в вашем кармане. Даже в этом случае, когда дело доходит до экономии энергии, мы всегда должны рассматривать более широкую картину и убедиться, что время и деньги, которые мы вкладываем, дают наилучшие возможные результаты.

Кто открыл пьезоэлектричество?

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году двумя французскими физиками братьями Пьер и Поль-Жак Кюри в кристаллах кварца, турмалина и Рошельская соль (тартрат калия-натрия).Они взяли название от греческое слово «пьезеин» означает «прижимать». Жак подвел итог наблюдению в статье 1889 года в Annales de Chimie et de Physique . (мой собственный очень грубый перевод с французского):

«Если кто-то тянет или сжимает вдоль главной оси [кварцевого блока], на концах этой оси появляется равное количество электричества противоположных знаков, пропорциональное действующей силе и независимо от размеров кварца».

Работа: Иллюстрации к работе Кюри из Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J.КЮРИ: Анналы химии и тела, т. XVII, 1889, с. 392.

Батареи не нужны? | Аргоннская национальная лаборатория

Наступает день, когда биение сердца приводит в действие кардиостимуляторы, кроссовки заряжают сотовые телефоны во время бега трусцой, а шины приводят в действие свои собственные датчики давления во время вращения.

Но наука еще не совсем там. Принцип, лежащий в основе этих будущих гаджетов с автономным питанием, называется пьезоэлектричеством; когда определенные типы кристаллов сжимаются, они вырабатывают электричество.Пьезоэлектрические материалы уже являются магией самовоспламеняющихся зажигалок для барбекю, но технология ограничена низкой выходной мощностью. В настоящее время большинство пьезоэлектрических устройств вырабатывают мощность порядка микроватт. (Для сравнения, типичная лазерная указка излучает свет мощностью около 1000 микроватт.)

Специальные материалы, называемые пьезоэлектриками, могут генерировать энергию при изгибе или сжатии (см. Выше).

«Пьезоэлектрические материалы до сих пор не привлекали к себе особого внимания из-за небольшого количества энергии, которую они создают», — сказал аргонский материаловед Сеунгбум Хонг.«Но если мы сможем улучшить это в 10 или 20 раз, я думаю, это изменит правила игры».

Хонг руководит работой Аргонн, чтобы сделать это. Исследовательская группа использует атомно-силовую микроскопию для исследования внутренней структуры и свойств пьезоэлектрических материалов, также известных как «собирающие энергию материалы». Хонг считает, что их работа приведет к созданию улучшенных материалов, которые откроют двери для новых применений в медицине, бытовой электронике и многом другом.

Пьезоэлектрики могут быть разных форм.

Пьезоэлектрический эффект позволяет материалам преобразовывать «потраченную впустую» механическую энергию (например, движение человека, низкочастотные колебания или акустический шум) в электрическую энергию. Увеличение потенциала мощности может устранить необходимость замены батарей в небольших устройствах, что приведет к созданию более энергоэффективных, удобных для пользователя и экологически безопасных технологий.

В случае кардиостимуляторов, например, это будет означать отказ от операций, которые пациенты должны проходить каждые пять-семь лет для замены батарей; пользователям слуховых аппаратов не нужно будет покупать новые батарейки каждые несколько недель.На шинах датчик с пьезоэлектрическим приводом может контролировать давление в шинах на протяжении всего срока службы автомобиля.

По словам Хунга, пьезоэлектрические технологии также могут использоваться в сетях беспроводных датчиков для контроля состояния конструкций мостов и зданий.

«Инженеры-механики не любят провода», — сказал Хонг. «Переход на беспроводную связь был бы более стабильным и, вероятно, менее дорогим».

Для крупных приложений, таких как автомобили и мосты, эти устройства будут состоять из пружин, покрытых полимером, собирающим энергию, для улавливания и преобразования вибрации в электричество.Крошечные биомедицинские устройства нуждаются в очень маленьких машинах, называемых микроэлектромеханическими системами, которые используют крошечные рычаги с полимерным покрытием для использования механической энергии.

Подробнее о микроэлектромеханических системах и их использовании в смартфонах »

Команда Аргонна в сотрудничестве с исследователями из Массачусетского технологического института и Корейского передового института науки и технологий сосредоточила внимание на сегнетоэлектрическом полимере, называемом поливинилиденфторид, из-за его сильного пьезоэлектрического отклика.

Исследователи также планируют использовать современные инструменты Argonne в Центре наноразмерных материалов и передовых источников фотонов, чтобы лучше понять поведение этих материалов.

«Один из простейших способов улучшить низкую производительность — это выявить и понять сильные и слабые строительные блоки внутри материалов», — сказал Хонг. «Изучая структуру атомов в наномасштабе, мы можем выяснить, как получить материал, обладающий свойствами, необходимыми для увеличения выходной мощности.”

Это исследование проводится при поддержке Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и программы Brain Korea Program.

Исследование процесса преобразования энергии в электрохимическом самозаряжающемся суперконденсаторе с пьезоэлектрическим приводом с помощью пьезоэлектрохимической спектроскопии

Процесс производства силоксеновых SCSPC

На рисунке 1 показано графическое представление всего процесса, задействованного в производстве силоксеновых SCSPC.Двумерные (2D) листы силоксена были синтезированы топохимической реакцией (рис. 1а) CaSi 2 с ледяной HCl в течение 4 дней 22,23 . Этот процесс приводит к деинтеркаляции ионов кальция с частичным окислением листов Si, что в конечном итоге приводит к образованию листов силоксена 24 . Тонкая дисперсия силоксеновых листов в растворе ПВДФ была получена с помощью процесса ультразвукового облучения 25 , а процесс электропрядения 17 был использован для приготовления пьезоволокон силоксен-ПВДФ, как показано на рис.1b. Структура силоксенового SCSPC представлена ​​на рис. 1c, на котором углеродная ткань, покрытая силоксеном, используется в качестве двух симметричных электродов, разделенных покрытым ионогелем электропряденым сепаратором из пьезофибры силоксена и ПВДФ.

Рис. 1: Схематическое изображение этапов производства силоксенового SCSPC.

a представляет собой получение силоксеновых листов путем топохимической деинтеркаляции кальция из CaSi 2 в присутствии ледяного раствора HCl, b представляет собой процесс изготовления, связанный с электропрядением пьезоволокон силоксен / ПВДФ, и c указывает на изготовление силоксенового устройства SCSPC с использованием углеродной ткани, покрытой силоксеновыми листами, в качестве двух симметричных электродов и электропряденых пьезоволокон силоксен-ПВДФ, пропитанных ионогелевым электролитом в качестве разделителя.

Характеристика подготовленных 2D-силоксеновых листов

На рисунке 2 показаны физико-химические характеристики приготовленных 2D-силоксеновых листов. Рентгеновская дифрактограмма двухмерных силоксеновых листов (рис. 2а) показывает наличие широких дифракционных пиков при 13,5 ° и 27 °, которые указывают на удаление кальция из CaSi 2 (рентгенограмма CaSi 2 представлена ​​на рис. представленный на дополнительном рис. 1) и формирование листов силоксена 24,26 . Спектр лазерного комбинационного рассеяния силоксеновых пластин (рис.2b) показаны основные полосы при 497 и 521 см −1 , что соответствует колебаниям Si – O – Si и Si – Si связанных кислородом колец Si 6 , присутствующих в гексагональных кремниевых каркасах силоксеновых листов 23, 27 . Полоса, расположенная на 375 см −1 , возникает из-за колебаний полос Si – Si, тогда как другие полосы, расположенные при 641 и 731 см −1 , соответствуют колебаниям Si – H в листах силоксена 27 . ИК-Фурье-спектр силоксеновых листов (приведен на рис.2c) показывает наличие отчетливых полос при 1050 см -1 (сетки Si – O-Si) и 2150 см -1 (O – Si 2 ≡Si – H), что указывает на то, что полученный силоксен является каутским. -тип (кольца Si 6 , соединенные между собой мостиками Si – O – Si в плоскостях Si, как показано на дополнительном рис. 2) 23,24 . Полосы с центрами 525, 880 и 1632 см -1 возникают из-за колебаний групп Si-Si, Si-H и Si-OH, соответственно, присутствующих в силоксеновых листах 26 .Рентгеновское фотоэлектронное сканирование силоксеновых листов (показанное на рис. 2d) подчеркивает присутствие состояния Si 2 p (при 100 эВ) и состояния O 1 s (при 530 эВ). Спектр остовных уровней состояния Si 2 p (рис. 2e) может быть свернут в два пика следующим образом: (i) пик при 99 эВ соответствует состояниям Si – Si и (ii) пик при 102,5 эВ обусловлено состояниями Si – O – Si, присутствующими в листах силоксена 26 . На рис. 2f представлен спектр O 1 s силоксеновых листов, который образован кислородсодержащими группами, присутствующими в силоксеновых листах.Определенное атомное отношение O / Si в листах силоксена из анализа XPS составляет приблизительно 1,25; это значение близко соответствует предыдущим отчетам 23,26 .

Рис. 2: Физико-химические характеристики силоксеновых листов.

a Спектр дифракции рентгеновских лучей силоксеновых листов, b Лазерный Рамановский спектр силоксеновых листов, c Фурье-преобразованный инфракрасный спектр силоксеновых листов, d Обзорный спектр XPS силоксеновых листов, e Si 2 p и f O 1 s Спектры сердцевинного уровня силоксеновых листов.

На рис. 3 представлен анализ морфологического и элементного состава силоксеновых листов с использованием автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM) и просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (HR-TEM) с анализом элементного картирования. На рис. 3a – c представлены микрофотографии силоксеновых листов с помощью FE-SEM (записанные при разном увеличении), которые четко показывают образование листовых наноструктур силоксена посредством топохимической реакции 22,27 . Поперечный размер силоксеновых листов неоднороден (варьируется от 1 до 2 мкм), что может быть связано с нестандартным размером прекурсора CaSi 2 , используемого при получении силоксена.На рис. 3d – f представлена ​​карта наложения и карты элементов Si и O силоксеновых листов, которые показывают однородное распределение атомов Si и O в силоксеновых листах. Спектр EDS, представленный на рис. 3g, показывает, что отношение O / Si в силоксеновых листах составляет приблизительно 0,93. На рис. 3h – k представлена ​​микрофотография HR-TEM отдельного силоксенового листа с поперечным размером в диапазоне 1,2 × 1,2 мкм. Элементные карты (рис. 3i – j) показали, что атомы Si и O равномерно распределены по всей поверхности силоксенового листа, и соответствующее атомное соотношение O / Si (рис.3k) составляет приблизительно 1,47 (анализ с использованием метода отношения Клиффа – Лоримера) 26 . Эти исследования подтвердили образование двумерных силоксеновых листов в результате топохимической реакции.

Рис. 3: Морфологический и элементный анализ силоксеновых пластин.

a – c Микрофотографии силоксеновых листов, полученные с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа. d Анализ элементарного картирования, показывающий карту наложения, и e – f EDS картирование Si и O, присутствующих в силоксеновых листах; г EDS-спектр Si и O, присутствующих в силоксеновых листах; h Просвечивающая электронная микрофотография с высоким разрешением отдельных листов силоксена; i , j EDS-картирование элементов Si и O, присутствующих в силоксеновых листах; и k спектр элементного состава Si и O, присутствующих в силоксеновых листах.

Характеристика электропряденого пьезофибра силоксен – ПВДФ

Микрофотографии FE-SEM пьезоволокна электросилоксен – ПВДФ, полученные при малом и большом увеличении, представлены на дополнительном рис. 3a, b. Они показывают наличие волокон силоксен-ПВДФ шириной 50 нм с пористой структурой, что является важным соображением при проектировании каналов переноса ионов в суперконденсаторах 28 . Элементное отображение и спектр EDS (дополнительный рис. 3c-h) пьезоволокон силоксен-ПВДФ указывают на однородное распределение атомов кремния (из силоксеновых листов) в матрице ПВДФ волокон.На рис. 4а показаны механические энергоемкие свойства электропряденого пьезоволокна силоксен-ПВДФ по сравнению с голым ПВДФ-волокном, полученным при сжимающей силе 5 Н. Механизм сбора энергии из голых ПВДФ-волокон (с выходным напряжением 3 В) обусловлено пьезоэлектрическими свойствами ПВДФ 29 . Включение силоксеновых листов в матрицу PVDF приводит к выходному напряжению ~ 6,5 В, что выше, чем у чистого PVDF, что указывает на улучшенные механические свойства сбора энергии.Улучшенные энергоемкие свойства пьезофибры силоксен-ПВДФ обусловлены усилением дипольного выравнивания в ПВДФ за счет включения силоксеновых листов (как видно из спектра лазерного комбинационного рассеяния, приведенного на дополнительном рис. 4). Этот результат хорошо согласуется с более ранними исследованиями улучшенных свойств PVDF по сбору механической энергии за счет включения кремния и 2D-материалов в качестве наполнителя 30,31 . Механические энергоемкие свойства пьезоволокна силоксен-ПВДФ, подверженные различным приложенным сжимающим силам, представлены на дополнительном рис.5а. На рисунке 4b показано влияние различных уровней сжимающей силы на свойства сбора энергии пьезоволокон силоксен-ПВДФ. Выходное напряжение пьезоволокон силоксен-ПВДФ увеличилось с ~ 6,5 до 16,4 В с линейным увеличением приложенной сжимающей силы от 5 до 20 Н, что указывает на их идеальные механические свойства сбора энергии 32 . Способность пьезоволокон силоксен-ПВДФ в качестве эффективных пьезоэлектрических наногенераторов заряжать промышленные конденсаторы представлена ​​на дополнительном рис.5б. Эти исследования подтверждают важность электропряденых пьезоволокон силоксен-ПВДФ для использования в качестве пьезополимерного сепаратора в SCSPC.

Рис. 4. Механические энергоемкие свойства пьезоволокон силоксен – ПВДФ.

a Выходные значения напряжения для пьезоволокон из чистого ПВДФ и силоксен-ПВДФ, подвергнутых приложенной сжимающей силе 5 Н. b Влияние приложенных сжимающих сил на характеристики выходного напряжения пьезоволокон силоксен-ПВДФ, подверженных различным уровням воздействия сжимающие силы.

Характеристики накопления энергии силоксеновых SCSPC

Электрохимические свойства накопления энергии изготовленных силоксеновых SCSPC были оценены с использованием ряда экспериментальных методов, таких как циклическая вольтамперометрия (CV), спектроскопия электрохимического импеданса (EIS), гальваностатический заряд-разряд (CD ) анализы и испытания на долгосрочную стабильность. На рисунке 5a показаны CV-профили силоксенового SCSPC, записанные в окне рабочего напряжения (OVW) 1,8 В с использованием различных приложенных скоростей сканирования (от 5 до 500 мВ с -1 ).Наличие квазипрямоугольных профилей CV указывает на то, что механизм накопления заряда на силоксеновом электроде обусловлен интеркаляцией ионов псевдоемкости 23 . Не наблюдается каких-либо пиков окислительно-восстановительного потенциала в профилях CV, что подтверждает, что никакой фарадеевский процесс не участвовал в природе накопления заряда силоксенового SCSPC. С увеличением скорости сканирования от 5 до 500 мВ с -1 , текущий диапазон профилей CV увеличивается без каких-либо искажений в прямоугольной форме, что подчеркивает хорошие емкостные свойства 33 .На рисунке 5b показано влияние применяемой скорости сканирования на емкость устройства силоксенового SCSPC, который обладает высокой емкостью устройства 27,58 мФ см −2 при низкой скорости сканирования 5 мВ с −1 . На рисунке 5c представлены данные EIS силоксенового устройства SCSPC в виде графика Найквиста (график реальной и мнимой составляющих импеданса). График Найквиста силоксенового SCSPC-устройства показывает наличие трех четко определенных областей, низко-, средне- и высокочастотных областей, которые напрямую связаны с частотно-зависимым синхронным, асинхронным и незаряженным поведением устройства. силоксен SCSPC 34 .На вставке к рис. 5с показано, что эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) силоксенового SCSPC составляет 9,7 Ом. Это значение относительно выше, чем у силоксенового суперконденсатора с жидким электролитом TEABF 4 23 , что связано с низкой ионной проводимостью ионогеля по сравнению с жидким электролитом 35 . Наблюдение квазиполукруга, такого как дуга в высокочастотной области, связано с сопротивлением переносу заряда ( R ct 4 Ом) силоксенового SCSPC 33 .В области низких частот видна прямая линия (линия Варбурга), которая проходит почти параллельно оси y- , что указывает на область зарядки силоксенового SCSPC в результате диффузии ионов электролита на поверхность электрода 36 . График фазового угла Боде силоксенового SCSPC (см. Дополнительный рис. 6) показывает, что фазовый угол на низкой частоте (0,01 Гц) составляет приблизительно -69 °, таким образом выявляя псевдоемкостное поведение электрода 37 .

Рис. 5: Электрохимические свойства накопления энергии силоксена SCSPC.

a Циклические вольтамперометрические профили силоксенового SCSPC, записанные с различными применяемыми скоростями сканирования от 5 до 500 мВ с -1 . b Влияние применяемых скоростей сканирования на удельную емкость устройства силоксенового SCSPC. c Спектроскопический анализ электрохимического импеданса силоксенового SCSPC в виде графика Найквиста, а на вставке в c представлена ​​увеличенная часть высокочастотной области. d Профили гальваностатического заряда-разряда силоксенового SCSPC, записанные с использованием различных диапазонов приложенного тока. e Влияние диапазонов тока разряда на удельную емкость устройства силоксенового SCSPC и f показатели энергоэффективности силоксенового SCSPC, представленные в виде графика Рагона. Ссылки, приведенные на вставке f , представлены в дополнительной таблице 1.

На рисунке 5d представлены профили CD силоксенового устройства SCSPC, записанные с использованием различных диапазонов приложенного тока при OVW, равном 1.8 В. Наличие наклонных симметричных треугольных профилей КД силоксенового SCSPC выявило псевдоемкостный (интеркаляционный) характер накопления заряда 23 . Влияние приложенных токов на емкость силоксенового SCSPC показано на рис. 5e. Емкость устройства линейно увеличивалась с уменьшением диапазона приложенного тока, и высокая емкость устройства приблизительно 28,98 мФ · см -2 была получена для силоксенового SCSPC из профилей CD, записанных с использованием тока 5 мА.На рисунке 5f показаны показатели энергоэффективности силоксенового устройства SCSPC в виде графика Рагона. Он показал, что силоксен SCSPC обладает высокой плотностью энергии 46,97 мДж / см -2 при соответствующей плотности мощности 1,12 мВт / см -2 , определенной из профиля CD, записанного с использованием приложенного тока 5 мА. При увеличении диапазона приложенного тока от 5 до 25 мА силоксеновое устройство SCSPC сохраняет плотность энергии 12,03 мДж / см −2 , тогда как удельная мощность увеличивается до 5.62 мВт см −2 . Дополнительная таблица 1 показывает, что показатели производительности силоксенового SCSPC сравнительно превосходят многие из известных SSC на основе кремния. Механическая гибкость силоксенового SCSPC была исследована с использованием CV-анализа, записанного при воздействии на устройство условий изгиба, как показано на дополнительном рис. 7a. Не было значительных изменений в профилях CV силоксенового SCSPC, зарегистрированных в изогнутом состоянии, по сравнению с профилями в нормальном состоянии (дополнительный рис.7б). Сохранение емкости устройства ( C / C ο ), полученной в изогнутом состоянии ( C ), до нормального состояния ( C ο ) составляет примерно 1,07, что подчеркивает механическую стабильность устройства. силоксен SCSPC. На дополнительном рисунке 8 представлена ​​долговременная циклическая стабильность силоксенового устройства SCSPC в течение 5000 непрерывных циклов CD, записанных с использованием приложенного тока 10 мА. После 5000 повторяющихся циклов силоксеновое устройство SCSPC сохраняет емкость устройства примерно 85% от его начальной емкости, что указывает на его превосходную электрохимическую стабильность.

Характеристики самозарядки силоксеновых SCSPC

На рисунке 6 представлена ​​самозарядка силоксеновых SCSPC по отношению к различным уровням приложенных сжимающих сил. Когда сжимающая сила 10 Н прикладывается к поверхности силоксенового SCSPC, напряжение силоксенового SCSPC возрастает от 105 до 180 мВ в течение 250 с, как показано на рис. 6а, который демонстрирует его самозарядные свойства за счет механической деформации. . После этого механически индуцированного процесса самозарядки силоксеновому SCSPC позволяют разрядиться до исходного состояния в течение 100 с с использованием разрядного тока 10 мкА.На рис. 6b, c представлены самозарядные свойства силоксенового SCSPC, подвергнутого приложенным сжимающим силам 15 и 20 Н с последующей разрядкой с использованием постоянного тока 10 и 20 мкА соответственно. Интересно, что напряжение силоксенового SCSPC увеличивается с 101 до 237 мВ и от 107 до 314 мВ в течение 250 с при воздействии силы 15 и 20 Н, соответственно. На рисунке 6d показаны характеристики самозарядки силоксенового SCSPC, которые показывают, что устройство может заряжать до 75, 136 и 207 мВ (в течение 250 с) для 10, 15 и 20 Н сжимающих сил, соответственно.Увеличение напряжения самозарядки силоксенового SCSPC с увеличением уровней приложенной силы связано с пьезоэлектрическим эффектом электропряденых пьезоволокон силоксен-ПВДФ, который генерирует большую электрическую мощность при увеличении механической силы 16,17 . На дополнительном рисунке 9 представлены самозарядные свойства силоксенового SCSPC, изготовленного с использованием голых электропряденых пьезоволокон из ПВДФ в качестве разделителей. При приложении сжимающей силы 20 Н это устройство могло самостоятельно заряжаться до 141 мВ (от 118 до 259 мВ), и это значение ниже, чем у силоксенового SCSPC с пьезоволокнами силоксен-ПВДФ в качестве разделителей (рис. .6в). Это связано с лучшими свойствами преобразования механической энергии в электрическую энергию пьезоволокон силоксен-ПВДФ, чем пьезоволокон из чистого ПВДФ, как показано на рис. 4а. На дополнительном рисунке 10 показано влияние частоты приложенной сжимающей силы (20 Н) на характеристики самозарядки силоксенового SCSPC. Когда частоты составляли 2, 1 и 0,5 Гц при приложенной сжимающей силе 20 Н, характеристики самозарядки силоксенового SCSPC оказались равными 207, 102 и 59 мВ, соответственно.Самозарядная емкость силоксенового SCSPC составляет приблизительно 3,62 мФ / см −2 (на основе расчета кривой разряда 20 ) и была получена при сжимающей силе 20 Н. На рисунке 6e представлен повторяющийся процесс самозарядки Силоксеновый SCSPC в течение шести последовательных циклов, что показывает, что выходы силоксенового SCSPC почти одинаковы (130 ± 5 мВ) во время различных циклов, что обеспечивает его превосходную электромеханическую стабильность. Показатели производительности самозарядки силоксенового SCSPC также сравниваются с опубликованными на данный момент работами по SCSPC.Производительность силоксенового SCSPC (207 мВ в течение 250 с) выше (в зависимости от выходного напряжения), чем у MnO 2 SCSPC (110 мВ в течение 300 с) 18 , SCSPC из углеродной ткани (100 мВ в течение 40 s) 20 , CNT SCSPC (70 мВ за 40 с) 21 и асимметричный SCSPC на основе суперконденсатора (151 мВ за 80 с) 19 . Превосходные показатели производительности могут быть связаны с использованием мощных силоксеновых электродов по сравнению с электродами, используемыми в заявленных SCSPC 23 .Однако время, необходимое для достижения максимального напряжения (самозарядка), для силоксенового SCSPC больше, чем у других описанных, что может быть связано с более низкой ионной проводимостью ионогеля (в этой работе), чем у водного геля (в опубликованных SCSPC) 38 . Принимая во внимание работы, предпринятые по SCSPC с использованием ионных жидких электролитов до настоящего времени, в литературе доступны только две статьи, которые также сравниваются в этой работе. Производительность силоксенового SCSPC ниже, чем у MoSe 2 SCSPC (600 мВ) 17 и выше, чем у PEDOT: PSS SCSPC (152 мВ) 39 .Это может быть связано с различием в электропроводности и характере накопления заряда электродных материалов, используемых в этих SCSPC. Этот сравнительный анализ силоксенового SCSPC с аналогичным анализом SCSPC показал, что материал электрода, электролит, сепаратор и конструкция ячейки являются одними из параметров, которые играют ключевую роль в показателях самозарядки SCSPC. На рисунке 6f показано практическое применение полностью заряженного силоксенового SCSPC для включения многофункционального электронного дисплея (MED) в течение 5 минут.Такие параметры, как температура, время и относительная влажность в MED, были видны в течение 5 минут, демонстрируя практическую применимость изготовленного силоксенового SCSPC.

Рис. 6: Механически обусловленные самозарядные свойства силоксенового SCSPC.

a – c Самозарядные свойства силоксенового SCSPC, подверженного различным уровням механической силы 10, 15 и 20 Н. d Влияние приложенных сжимающих сил на характеристики самозарядки силоксенового SCSPC. e Стабильность самозарядных свойств силоксенового SCSPC, подверженного непрерывному сжимающему усилию 15 Н. f Практическое применение силоксенового SCSPC, способного питать многофункциональный электронный дисплей.

Рабочий механизм силоксеновых SCSPC

На сегодняшний день обсуждается механизм механически обусловленных самозарядных свойств SCSPC на основе пьезоэлектрохимического процесса; однако механизм до сих пор неясен 16,18 .Рабочий механизм силоксенового SCSPC можно объяснить с помощью пьезоэлектрохимического процесса, который произошел на поверхности / границе раздела силоксеновый электрод и силоксен-ПВДФ пьезоволокно, как показано на рис. 7. В исходном состоянии силоксеновый SCSPC находится в разряженном состоянии. (как показано на рис. 7a), с двумя силоксеновыми электродами, разделенными ионогелированным пьезофибром силоксен-ПВДФ, в котором ионы электролита (TEA + и BF 4 ) равномерно распределены по всему пространству внутри ячейки. .Здесь пьезоволокно силоксен-ПВДФ, подвергнутое ионному гелеобразованию, находится в тесном контакте с симметричными силоксеновыми электродами; следовательно, они могут легко получить доступ к пьезопотенциалу, создаваемому пьезоволокном, подверженным сжимающей силе. Под действием приложенной сжимающей силы как положительный, так и отрицательный пьезопотенциал, создаваемый пьезоволокнами, будет доступен для двух силоксеновых электродов, то есть позитрода и негатрода, как показано на рис. 7b. Это приводит к миграции ионов электролита под действием пьезопотенциала по направлению к силоксеновому электроду (т.е.e., движение ионов TEA + и BF 4 к отрицательному и положительному электродам) посредством комбинации (i) кинетики физической адсорбции ионов и (ii) миграции ионов по ионопроводящим путям через ионогелированное пьезофибрилло силоксен-ПВДФ (как показано на рис. 7в) 40 . Примечательно, что сепараторы из ПВДФ являются хорошо известными ионными проводниками для ионов TEABF 4 36 ; следовательно, ПВДФ адекватно используется в качестве матричного / основного полимера для ионогелей (который известен своими механоионными и пьезоионными свойствами) и связующих для электродов суперконденсаторов 17 .Распределение положительных и отрицательных ионов с увеличением концентрации вокруг двух силоксеновых электродов приводит к образованию разности потенциалов, вызывающей самозарядку силоксенового SCSPC (рис. 7c). Во время процесса самозарядки силоксенового SCSPC ионы электролита будут адсорбироваться и / или интеркалироваться на силоксеновых электродах, и этот процесс не будет нарушен пьезопотенциалом через пьезоволокно силоксен-ПВДФ. Потенциалы двух силоксеновых электродов в SCSPC увеличиваются в противоположных направлениях во время процесса самозарядки (самозарядная емкость) и будут достигать определенного рабочего напряжения, пока силоксеновый электрод не достигнет нового химического равновесия.На этом этапе распределение ионов электролита выравнивает генерируемый пьезопотенциал, что останавливает процесс миграции ионов через границу раздела между электролитом и двумя силоксеновыми электродами в SCSPC, что приводит к прекращению процесса самозарядки. После снятия приложенной сжимающей силы (рис. 7d) пьезоэлектрические свойства пьезоволокна электросилоксен – ПВДФ исчезают, что приводит к перераспределению ионов электролита для поддержания равновесного состояния (рис.7д). Когда силоксен SCSPC снова подвергается сжимающей силе, происходит повторение процесса самозарядки. Это общий механизм, лежащий в основе преобразования механической энергии в электрохимическую в силоксеновом SCSPC посредством пьезоэлектрохимического явления. В целом, пьезоэлектрический эффект, вызванный пьезоволокном силоксен-ПВДФ, заставляет положительные и отрицательные ионы дрейфовать к негатроду и позитроду в силоксеновом SCSPC, что приводит к процессу самозарядки 17 .Предлагаемый механизм самозарядки силоксенового SCSPC можно объяснить с помощью теории Нернста 41,42 , которая связывает электродный потенциал силоксеновых электродов с концентрацией ионов электролита следующим образом. \ circ}} $$

(2)

Здесь « φ (силоксен) » представляет фактический электродный потенциал двух силоксеновых электродов в SCSPC.Первый член в правой части, то есть « ° (силоксен) », представляет стандартные электродные потенциалы двух силоксеновых электродов, используемых в SCSPC. « R », « T » и « F » во втором члене соответствуют газовой постоянной, температуре и постоянной Фарадея, соответственно. Термин « X » относится к активности или доле занятости положительно и отрицательно заряженных ионов на внешней и / или внутренней поверхности отрицательного и положительного электродов, соответственно, 42 .Термин « P » в третьем члене относится к давлению интеркаляции из-за внедрения ионов между промежуточными слоями силоксеновых листов 43 . Термины « X ο» и « P ο» соответствуют вышеупомянутым терминам « X » и « P » при воздействии сжимающей силы. Когда силоксеновый SCSPC подвергается сжимающей силе (то есть под действием пьезоэлектрического поля), положительные (TEA + ) и отрицательные (BF 4 ) ионы перемещаются к негатроду и позитроду в силоксеновом SCSPC, что приводит к изменению степени заполнения ионами силоксеновых электродов (т.е.е., X ο > X ). Это приводит к возникновению чистой разности потенциалов между двумя силоксеновыми электродами (накопителями энергии) в устройстве SCSPC, что приводит к процессу самозарядки.

Чтобы понять пьезоэлектрохимический процесс в деталях, мы использовали PECS для изучения зависимости заряд-состояние силоксенового SCSPC при воздействии сжимающей силы 44 . Измерения PECS включают характеристику циклических вольтамперометрических профилей (рис.8) силоксенового SCSPC с приложенными сжимающими усилиями и без них (механическая деформация). На рисунке 8a показаны результаты измерения PECS силоксенового SCSPC, записанного с использованием измерений CV (скорость сканирования 100 мВ с -1 ) в диапазоне OVW от 0 до +1,8 В. Сравнение профилей CV с механической деформацией и без нее дает значительные изменения величины тока SCSPC (вызванного пьезоионным движением) по отношению к приложенному напряжению. В отсутствие какой-либо сжимающей силы профиль CV силоксенового SCSPC показывает кривые квазипрямоугольной формы, которые аналогичны результатам, показанным на рис.5а. Здесь механизм накопления заряда в силоксеновом SCSPC обусловлен прямым электрохимическим процессом, происходящим на границе раздела электролит-электрод 23 . Профиль CV силоксенового SCSPC при непрерывном приложении сжимающих сил показывает появление всплесков тока, которые приписываются дополнительному току, генерируемому посредством пьезоэлектрохимического процесса. Когда на силоксеновое устройство SCSPC действует сила, образование пьезоэлектрического поля на поверхности сепаратора перемещает ионы электролита к поверхности силоксенового электрода.Этот избыточный заряд, инжектируемый из электролита на поверхность электрода посредством пьезоэлектрохимического процесса, наблюдается в виде всплесков тока на CV-профиле силоксенового SCSPC (подвергнутого сжимающей силе). Увеличенная часть результатов PECS вблизи области потенциала нулевого заряда (PZC) представлена ​​на рис. 8b, из которого видно, что всплески тока наблюдаются с отрицательной полярностью ниже области PZC, а всплески тока наблюдались в положительная полярность выше PZC 45 .На рис. 8c, d показаны результаты PECS силоксенового устройства SCSPC, записанные из профилей CV при скорости сканирования 50 мВ с -1 , которые показывают аналогичные результаты по сравнению с рис. 8a. Зависимость напряжения от величины пьезоэлектрохимически генерируемого тока может быть связана с влиянием «состояния заряда (SOC)» силоксенового SCSPC 46,47 . Увеличение величины скачков тока от области PZC до высокого напряжения происходит из-за дифференциальной концентрации ионов электролита при различных приложенных напряжениях 48,49,50,51 .Это может быть напрямую связано с термином «( P ο / X ο )» (из уравнения (2)), как объясняется следующим образом: Концентрация ионов электролита вблизи области PZC ниже по сравнению с тем, что используется в увеличивающихся диапазонах приложенного напряжения. Когда силоксеновое устройство SCSPC подвергается приложенной сжимающей силе, всплески тока имеют низкую величину при более низких приложенных потенциалах из-за низкой концентрации ионов на поверхности силоксенового электрода. При гораздо более высоком приложенном потенциале высококонцентрированные ионы окружают силоксеновый электрод, что приводит к более локализованной инжекции заряда на их поверхности из-за приложенной сжимающей силы, что приводит к более высокой величине всплесков тока.Чтобы подтвердить это, мы исследовали хроноамперограмму силоксенового SCSPC при различных приложенных потенциалах (0,0, 0,25, 1,5 и 1,8 В) при сжимающих силах, аналогичных измерениям наноударов, описанным в литературе 52 . Наличие всплесков отрицательной полярности для значений приложенного потенциала 0,0 и 0,25 В наблюдалось из Дополнительного Рис. 11a, b. Когда значения приложенного потенциала увеличиваются до 1,5 и 1,8 В, полярность пьезоиндуцированного генерируемого тока изменяется, как видно из Дополнительного Рис.11в, г. Кроме того, эффект приложенных сжимающих сил представлен на дополнительном рис. 12, который указывает на значительную роль пьезоэлектрохимического процесса в генерируемом токе из-за чрезмерной инжекции заряда от электролита к силоксеновым электродам. В целом, измерения PECS напрямую подтверждают «пьезоэлектрохимический эффект», связанный с процессом самозарядки силоксенового SCSPC, что очень полезно для понимания механизма преобразования и накопления энергии в SCSPC.

Рис. 8: Пьезоэлектрохимические спектроскопические измерения силоксена SCSPC.

Измерение PECS с использованием циклической вольтамперометрии, записанное со скоростью сканирования 100 мВ с -1 , b увеличенная часть рис. 8a рядом с областью PZC, c Измерения PECS, записанные с использованием скорости сканирования 50 мВ с -1 и d представляет собой увеличенную часть фиг. 8c. Силоксеновое устройство SCSPC подвергалось приложенной сжимающей силе 20 Н во время измерения PECS.

Датчик без батареек для подводных исследований | MIT News

Чтобы исследовать неизведанные океаны, покрывающие большую часть нашей планеты, исследователи стремятся создать подводную сеть взаимосвязанных датчиков, которые отправляют данные на поверхность — подводный «Интернет вещей». Но как обеспечить постоянным питанием множество датчиков, предназначенных для длительного пребывания в глубине океана?

У исследователей

Массачусетского технологического института есть ответ: система подводной связи без батарей, которая использует почти нулевую мощность для передачи данных датчиков.Систему можно использовать для мониторинга температуры моря, изучения изменения климата и отслеживания морской жизни в течение длительного периода — и даже для отбора проб воды на далеких планетах. Они представляют систему на конференции SIGCOMM на этой неделе в документе, получившем награду конференции «Лучшая статья».

Система использует два ключевых явления. Один из них, называемый «пьезоэлектрический эффект», возникает, когда колебания в определенных материалах генерируют электрический заряд. Другой — «обратное рассеяние», метод связи, обычно используемый для RFID-меток, при котором данные передаются путем отражения модулированных беспроводных сигналов от метки и обратно к считывающему устройству.

В системе исследователей передатчик посылает акустические волны через воду к пьезоэлектрическому датчику, хранящему данные. Когда волна попадает на датчик, материал вибрирует и накапливает возникающий электрический заряд. Затем датчик использует накопленную энергию, чтобы отразить волну обратно в приемник — или он не отражает ее вовсе. Таким образом, чередование отражений соответствует битам в передаваемых данных: для отраженной волны приемник декодирует 1; для отсутствия отраженной волны приемник декодирует 0.

«Если у вас есть способ передавать единицы и нули, вы можете отправлять любую информацию», — говорит соавтор Фадель Адиб, доцент Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и Департамента электротехники и компьютерных наук и директор-основатель Signal. Группа исследований кинетики. «По сути, мы можем общаться с подводными датчиками, основываясь исключительно на входящих звуковых сигналах, энергию которых мы собираем».

Исследователи продемонстрировали свою пьезоакустическую систему обратного рассеяния в бассейне Массачусетского технологического института, используя ее для сбора измерений температуры и давления воды.Система могла передавать точные данные со скоростью 3 килобита в секунду с двух датчиков одновременно на расстоянии 10 метров между датчиком и приемником.

Приложения выходят за пределы нашей планеты. По словам Адиба, эту систему можно использовать для сбора данных в недавно открытом подземном океане на самом большом спутнике Сатурна, Титане. В июне НАСА объявило о миссии Dragonfly по отправке марсохода в 2026 году для исследования Луны, отбора проб из водоемов и других мест.

«Как вы можете поместить датчик под воду на Титане, который работает в течение длительного времени в месте, где трудно получить энергию?» — говорит Адиб, написавший статью в соавторстве с исследователем Media Lab Джун Су Джанг.«Датчики, которые обмениваются данными без батареи, открывают возможности для зондирования в экстремальных условиях».

Предотвращение деформации

Вдохновение для системы пришло, когда Адиб смотрел «Голубую планету», документальный сериал о природе, исследующий различные аспекты морской жизни. Океаны покрывают около 72 процентов поверхности Земли. «Мне пришло в голову, как мало мы знаем об океане и о том, как морские животные развиваются и размножаются», — говорит он.Устройства Интернета вещей (IoT) могут помочь в этом исследовании, «но под водой вы не можете использовать сигналы Wi-Fi или Bluetooth… и вы не хотите расставлять батареи по всему океану, потому что это создает проблемы с загрязнением. ”

Это привело Адиба к созданию пьезоэлектрических материалов, которые используются в микрофонах и других устройствах уже около 150 лет. Они вырабатывают небольшое напряжение в ответ на вибрацию. Но этот эффект также обратим: приложение напряжения вызывает деформацию материала. Если поместить его под воду, этот эффект создает волну давления, которая проходит через воду.Их часто используют для обнаружения затонувших судов, рыб и других подводных объектов.

«Эта обратимость позволяет нам разработать очень мощную технологию подводной связи с обратным рассеянием», — говорит Адиб.

Связь основана на предотвращении естественной деформации пьезоэлектрического резонатора в ответ на деформацию. В основе системы — погружной узел, печатная плата, на которой размещены пьезоэлектрический резонатор, блок сбора энергии и микроконтроллер.Любой тип датчика может быть интегрирован в узел путем программирования микроконтроллера. Акустический проектор (передатчик) и подводное подслушивающее устройство, называемое гидрофоном (приемником), расположены на некотором расстоянии.

Допустим, датчик хочет отправить 0 бит. Когда передатчик посылает акустическую волну в узел, пьезоэлектрический резонатор поглощает волну и естественным образом деформируется, а сборщик энергии накапливает небольшой заряд возникающих колебаний. Тогда приемник не видит отраженного сигнала и декодирует 0.

Однако, когда датчик хочет отправить 1 бит, природа меняется. Когда передатчик посылает волну, микроконтроллер использует накопленный заряд для подачи небольшого напряжения на пьезоэлектрический резонатор. Это напряжение переориентирует структуру материала таким образом, чтобы он не деформировался, а вместо этого отражает волну. Заметив отраженную волну, приемник декодирует 1.

Долгосрочное глубоководное зондирование

Передатчик и приемник должны иметь питание, но их можно установить на кораблях или буях, где батареи легче заменить, или подключить к розеткам на суше.Один передатчик и один приемник могут собирать информацию от многих датчиков, охватывающих одну или несколько областей.

«Когда вы, например, отслеживаете морское животное, вы хотите отслеживать его на большом расстоянии и хотите, чтобы датчик оставался на нем в течение длительного периода времени. Вы не хотите беспокоиться о том, что батарея разрядится, — говорит Адиб. «Или, если вы хотите отслеживать градиенты температуры в океане, вы можете получать информацию от датчиков, охватывающих множество разных мест».

Еще одно интересное приложение — мониторинг бассейнов с рассолом, больших площадей с рассолом, которые находятся в бассейнах в океанских бассейнах, и которые трудно отслеживать в долгосрочной перспективе.Они существуют, например, на антарктическом шельфе, где соль оседает во время образования морского льда, и могут помочь в изучении взаимодействия таяния льда и морской жизни с бассейнами. «Мы могли чувствовать, что там происходит, без необходимости постоянно поднимать датчики, когда их батареи разряжаются», — говорит Адиб.

Полли Хуанг, профессор электротехники Тайваньского национального университета, похвалила работу за ее техническую новизну и потенциальное влияние на науку об окружающей среде. «Это отличная идея», — говорит Хуанг.«Это не новость, что пьезоэлектрические кристаллы используются для сбора энергии… [но] впервые можно увидеть, как они используются в качестве радио одновременно [что] неслыханно для сообщества исследователей сенсорных сетей / систем. Также интересен и уникален дизайн и изготовление оборудования. Схема и конструкция корпуса хороши и интересны ».

Отмечая, что система все еще нуждается в дополнительных экспериментах, особенно с морской водой, Хуанг добавляет, что «это может быть окончательным решением для исследователей морской биографии, океанографии или даже метеорологии — тех, кто нуждается в долгосрочных, малоинтенсивных исследованиях. усилие подводного зондирования.”

Далее исследователи стремятся продемонстрировать, что система может работать на больших расстояниях и взаимодействовать с большим количеством датчиков одновременно. Они также надеются проверить, может ли система передавать звук и изображения с низким разрешением.

Работа частично спонсируется Управлением военно-морских исследований США.

Как сделать башмак для зарядки пьезоэлектрической батареи?

Выход устройства из строя из-за недостатка энергии — обычная проблема в настоящее время. Часто важные телефонные звонки остаются без внимания, и мы не можем ответить на важный разговор, который происходит между нами и нашими коллегами, только из-за разрядки аккумулятора мобильного телефона.Практически каждый человек, владеющий смартфоном, желает, чтобы у него было больше времени автономной работы. Поэтому, учитывая эту проблему, мы разработаем мобильную зарядку на нашей обуви. Этот проект не только решит проблему разряда батареи, но и будет способствовать укреплению здоровья за счет создания стельки для обуви, которая преобразует физическую энергию, создаваемую при ходьбе, в электричество, которое затем сохраняется в портативном батарейном блоке. Наряду с зарядкой нашего электронного гаджета мы также сможем возобновить часть нашей физической энергии.

Как собрать пьезоэлементы с другими компонентами?

Поскольку мы поняли основную цель нашего проекта, давайте сделаем шаг вперед и найдем необходимые компоненты, а затем интегрируем их для разработки окончательного прототипа.

Шаг 1: Используемые компоненты

Шаг 2: Понимание основного принципа проекта

Перед сборкой компонентов нам необходимо понять рабочий механизм проекта. В каждом проекте электроники источник питания является основой.Основной источник питания, который делает возможным этот проект, называется пьезоэлектрический преобразователь / пьезоэлемент. Они состоят из таких компонентов, как кристаллы и керамика, которые обладают особой способностью преобразовывать физическую энергию в электричество переменного тока. Мы можем наилучшим образом использовать это свойство этих элементов, помещая их под ноги таким образом, чтобы каждый раз, когда мы делаем шаг, наш вес использовался для толкания пьезоэлектрических элементов, которые, в свою очередь, преобразовывали нашу физическую энергию в электрическую.Вырабатывается электрическая энергия, но есть небольшая проблема: Alternate Current (AC). Нам нужен постоянного тока (DC) для нашего проекта. Следовательно, эта проблема будет решена путем создания мостового выпрямителя с диодами, чтобы мощность переменного тока могла быть преобразована в мощность постоянного тока.

Демонстрация переменного и постоянного тока

Шаг 3: Измерение размера вашей обуви

Первым элементом, который нам понадобится для конструирования пьезоэлектрического генератора, является пластиковая основа. Выньте основу из обуви и сделайте соответствующие измерения с помощью линейки архитектурных масштабов.

Измерение стопы

Отверстия пьезоэлемента расположены так, чтобы они совпадали с большими выемками на стельке обуви, которые указывают на области наибольшего давления.

Пьезоэлектрическая стелька для обуви (пятка)

Шаг 4: ПРИКЛЕИВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ

Когда мы закончили создание основы для нашего пьезоэлектрического генератора, мы приклеим пьезоэлементы к основанию с помощью пистолета для горячего клея. Нанесите тонкий слой клея по краю отверстия в пластике, а затем быстро нажмите на него пьезоэлектрическими компонентами, прежде чем он остынет.Не наносите слишком много клея, потому что в этом случае мы можем ограничить полное сжатие поролоновых подушек. Мы позаботимся еще об одном, чтобы клей не касался положительных стыков (КРАСНЫЙ) и отрицательных (ЧЕРНЫЙ) , потому что эти стыки будут припаяны позже. Мы позаботимся о том, чтобы пьезоэлементы были приклеены с двух сторон пластика. С помощью цифрового мультиметра убедимся в исправности наших пьезоэлементов.

Проверка пьезоэлектрических элементов

Теперь, когда мы приклеили все пьезоэлектрические элементы в их соответствующих местах, мы приклеим куски пенопласта на каждый пьезоэлемент, как показано ниже:

Приклеивание кусков пенопласта

Шаг 5: ПРИСОЕДИНЕНИЕ ПЕЗОЭЛЕМЕНТОВ ВМЕСТЕ

Пьезоэлементы генерируют большое напряжение, но не генерируют значительный ток.Итак, имея это в виду, мы подключим все пьезоэлементы параллельно (положительные будут припаяны к положительным, а отрицательные — к отрицательным). Когда мы это сделаем, мы сможем генерировать большое количество ампер, и наше устройство будет заряжаться быстрее. После пайки стыков нанесите на стыки горячий клей, так как он не даст стыкам отламываться. Мы будем соединять пьезоэлементы с одной стороны пластика на другую, пропуская провода одного из пьезоэлементов через отверстия так, чтобы их можно было припаять параллельно пьезоэлементу с другой стороны.Поскольку все пьезоэлементы на пятке соединены параллельно, мы припаяем последний пьезоэлемент в цепи к одному из пьезоэлементов на носке и продолжаем паять пьезоэлементы параллельно, пока не будут соединены все 14 элементов.

Пайка пьезоэлементов

Шаг 6: Построение мостового выпрямителя

Сделав шаг вперед, во-первых, мы изучим принципиальную схему мостового выпрямителя, во-вторых, мы построим мостовой выпрямитель с использованием диодов и, наконец, мы подключим мост выпрямитель.

  1. Изучение принципиальной схемы: Когда напряжение подается на диоды, и они позволяют току проходить, говорят, что они находятся в режиме пересылки Biased и когда напряжение приложено и диоды не позволяют ток для прохождения, тогда они, как говорят, находятся в режиме с обратным смещением . На принципиальной схеме, показанной ниже, диоды подключены в режиме прямого смещения, и они позволяют току проходить через них. Положительная сторона диода — это та сторона, которая окрашена в серый цвет, и она будет показана на следующем шаге.Принципиальная схема
  2. Построение мостового выпрямителя: Мы будем подключать диоды в соответствии с конфигурацией с прямым смещением, чтобы через них мог проходить ток. Новички могут создать мостовой выпрямитель по схеме, показанной ниже. Мостовой выпрямитель также известен как полноволновой выпрямитель . Мостовой выпрямитель
  3. Подключение мостового выпрямителя: Теперь подключите пьезоэлектрические компоненты к выпрямителю в соответствии со схемой, показанной ниже.Ток переменного тока, поэтому положения проводов взаимозаменяемы, если они подключаются к правильным диодам на схеме. Снимите кабель USB, который вы купили вместе с аккумулятором, и извлеките внутренние провода. Нас интересуют только провода RED и BLACK . Теперь скрутите изношенные жилы каждого провода, а затем припаяйте их, а также припаяйте провода к выпрямителю. Поскольку мы знаем, что напряжение постоянного тока имеет положительные и отрицательные клеммы, после пайки лучше проверить полярность.Для большей безопасности нанесите горячий клей на клеммы. USB-кабель, подключенный к выпрямителю

Шаг 7: Установка и завершающие штрихи

Когда мы собрали все компоненты и наш пьезоэлектрический генератор готов, мы переместится к установочной части. Отрегулируйте пластмассовый пьезоэлектрический генератор внутри обуви, а затем вставьте на него оригинальную подошву. Если у кого-то возникнет проблема с настройкой генератора внутри, он / она может обратиться к изображению, показанному ниже:

Регулировка пьезоэлектрического генератора внутри обуви

Возьмите кабель USB, проложенный ранее, и проденьте его между язычком и внешней стороной обуви.Теперь осталось установить батарею, и для этого мы закрепим ее между язычком обуви и шнурками, а затем плотно затянем обувь. Лучше использовать Velcro для закрепления аккумуляторного блока, чтобы аккумулятор не выпал во время работы. Если у кого-то есть запасная обувь, он может сделать вырез из пенопласта на ее подошве, и обувь немного приподнимется.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *