Udnyttelse af kropsvarmen til at drive elektroniske enheder

Hvis termoelektriske materialer kan omdanne lavkvalitets varme til elektricitet, vi behøver måske aldrig at oplade bærbar teknologi derhjemme igen.

Om natten, de fleste af os tilslutter et virvar af ledninger og enheder, mens vi oplader vores smarture, telefoner og fitnesstrackere. Det er en bunke, der næppe bliver mindre, efterhånden som mere og mere bærbar teknologi kommer ind i vores liv. Producenter og fremtidsforskere forudsiger, at disse snart er energi-selvforsynende, og at vi bliver fri for deres rod. Men spørgsmålet er:hvordan? I øjeblikket er de eneste større bærbare strømkilder solcelleopladere, men disse har betydelige begrænsninger både indendørs og efter mørkets frembrud.

Kedar Hippalgaonkar, Jianwei Xu og deres medarbejdere ved A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) tror, ​​at de snart kunne bruge lavkvalitets spildvarme - tænk biludstødning eller kropsvarme - til at drive enheder.

"En enorm mængde lavkvalitets spildvarme bliver dumpet i miljøet", siger Hippalgaonkar. At konvertere denne varme til elektricitet er en stor mulighed, som ikke bør gå glip af.

Termoelektriske højtemperaturgeneratorer er allerede en nøglekilde til strøm til ruminstrumenter. Mars roveren, Nysgerrighed, og den interstellare rumsonde, Voyager 2, udnytte langvarig nuklear varme. Sidstnævnte har kørt på denne type strøm i mere end 40 år. "Termoelektrisk elproduktion er ikke en ny idé, " forklarer Hippalgaonkar. "Det er blevet undersøgt siden 1950'erne, og der har været masser af forskning i nye materialer, men tidligere fokuserede det meste af arbejdet på giftige, uorganiske materialer og applikationer med høje driftstemperaturer."

Hippalgaonkar er enig i, at udbredelsen af ​​Internet of Things-enheder nu medfører en efterspørgsel efter ikke-giftige, bærbare strømkilder. Fremtidige kropssensorer og bærbare enheder kunne bæres konstant, hvis de udnyttede kropsvarmen til at være selvforsynende med energi. "Men for at gøre det skal vi udvikle passende nye termoelektriske materialer, der er effektive ved lavere temperaturer, giftfri og billig at producere."

Den anden store mulighed er at gøre brug af spildvarme, der kommer ud gennem motorens udstødning fra biler, fly eller skibe, tilføjer han. Den genererede elektricitet kunne derefter føres tilbage til køretøjet, mindske dets miljømæssige fodaftryk.

A*STAR's PHAROS -projekt er fokuseret på de materialer, der vil gøre disse termoelektriske generatorer mulige. Det femårige projekt startede i 2016 og har til formål at finde en materialesammensætning, der er giftfri og, ideelt set, Jord rigelig (gør den billig), effektiv, og let at fremstille. For at gøre dette udvikler de mindre giftige hybridmaterialer, der kombinerer organiske og uorganiske elementer, og de forfølger dem med potentiale til lavtemperatur termoelektrisk elproduktion.

Projektet samler Hippalgaonkar, en solid-state fysiker og en ekspert i opførsel af fononer, fotoner og elektroner i nanoskala og 2-D materialer, og Jianwei Xu, en kemiker med en omfattende forskningsbaggrund i organiske materialer, især halvledende polymerer.

Skru ned for varmen på termisk strøm

For at oplade personlige enheder ved hjælp af termoelektriske materialer, en generator udnytter Seebeck-effekten, hvor en temperaturforskel skaber en elektrisk spænding i krydset mellem to forskellige materialer (ofte, men ikke udelukkende p- og n-dopede halvledere). Denne spænding kan bruges til at drive en enhed eller oplade et batteri.

Til dato, de mest veletablerede og succesrige termoelektriske materialer har været baseret på metaltellurider, herunder blytellurid og vismuttellurid. Disse er kommercielt tilgængelige og er blevet udnyttet som en strømkilde i rummet, hvor de lokalt kan generere elektricitet til at drive satellitter og rumsonder. Men de fungerer kun godt ved høje temperaturer, og i rummet bruges en indbygget nuklear isotop til at generere denne varme og til at skabe en høj temperaturforskel. Tilgangen kan fungere som en langsigtet, lokal strømkilde, men de potentielle sundhedsrisici ved nuklear stråling betyder, at den ikke er egnet til mange jordbaserede anvendelser.

"Der er mangel på effektive materialer, der fungerer ved omkring stuetemperatur, og det er det, vi ønsker at løse med PHAROS-projektet, " siger Xu. Men det er en udfordrende opgave at identificere nye kandidat -termoelektriske materialer, fremstille dem og derefter forstå, hvad der sker for at opkræve overførsler inde i dem.

Til dato, PHAROS-teamet har udforsket en bred vifte af konjugerede halvledende polymerer (såsom polyanilin, P3HT eller PEDOT:PSS) for den organiske komponent i deres hybrider, som derefter kombineres med en uorganisk komponent fremstillet af, sige, tellur nanotråde, siliciumnanopartikler eller 2D-materialer som MoS2, MoS2. Med disse, de har undersøgt brugen af ​​kulstof nanorør som tilsætningsstof.

Holdet har også undersøgt det termoelektriske potentiale af methylammonium blyiodid perovskites1, et uorganisk-organisk hybridmaterialesystem, der er blevet berømt i de senere år efter dets succesfulde brug i solceller. Dette hybridmateriale konkurrerer med silicium med hensyn til effektkonverteringseffektivitet. Den store fordel ved at bruge et delorganisk system er, at det passer til løsningsbehandling, som producerer stort areal, tynd, fleksible materialer, der billigt kunne inkjet-printes.

Imidlertid, for at et termoelektrisk materiale skal fungere godt, skal det ideelt set have en stor Seebeck-koefficient, som er indikativ for hvor stor den genererede spænding vil være for en given temperaturforskel. Og det er også vigtigt for materialet at have høj elektrisk ledningsevne for at lade en ladning flyde let, sammen med lav varmeledningsevne for at understøtte temperaturgradienten på plads.

"Det er meget svært at opnå disse egenskaber samtidigt, " siger Hippalgaonkar. "Du ønsker ideelt set at finde et materiale, der kombinerer træets lave varmeledningsevne med et metals høje elektriske ledningsevne, og det er ikke let at gøre."

Materialer med en perfekt score

For at gøre det nemmere at sammenligne materialer, noget kaldet 'ZT -værdien' blev udviklet for at tage hensyn til Seebeck -koefficienten, varmeledningsevne, elektrisk ledningsevne og temperatur. "Vi vil virkelig gerne have noget, der har en ZT på omkring 1, " siger Xu, selvom et så højt ZT-tal ikke er nødvendigt til mange anvendelser. På nuværende tidspunkt a 1 kan opnås i bismuthtellurid og blytellurid, men begge materialer er giftige, dyre at fremstille og stive.

For nylig, PHAROS-teamet har udviklet et mere sikkert materiale, der er 10-20 % af vejen til et perfekt termoelektrisk scorekort. Det gjorde de i et samarbejde med forskere ved det amerikanske Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ved at optimere et materialesystem, der kombinerer en omhyggeligt designet konjugeret polymer med tellur nanotråde. Opmuntrende, ZT-værdier på ca. 0,1-0,2 er opnået2.

Denne opdagelse blev hjulpet på vej af Shuo-Wang Yang ved Institute of High Performance Computing på A*Star og hans team, som hjalp med at forklare vekselvirkningerne mellem de organiske og de uorganiske bestanddele af materialer udarbejdet af Jeff Urbans team på LBNL. Med eksperimentelt og teoretisk arbejde udført af Hippalgaonkars team, fysikken om, hvordan ladning flyder i disse komplekse materialer, blev detaljeret for første gang, lægger et stærkt grundlag for den fremtidige udvikling.

"Grænsefladen mellem den organiske og uorganiske grænseflade er meget vigtig at studere, Hippalgaonkar forklarer. "Fysikken om, hvordan ladning bevæger sig gennem et så komplekst landskab, er meget udfordrende at forstå."

"Termoelektrisk vil være i stand til at give dig muligheden for at realisere selvdrevne sensorer hurtigst, " siger Hippalgaonkar. Pulsmålere har for eksempel et meget beskedent strømbehov, på skalaen af ​​et par hundrede mikrowatt. Et materiale med en ZT på 1, der opererer med en temperaturforskel på omkring 10˚C ved stuetemperatur, genererer omkring 50 mikrowatt pr. kvadratcentimeter, og, i teorien, PHAROS 'seneste materiale kunne nå 10 mikrowatt pr. Kvadratcentimeter. Så, småskala, bærbar, elektrisk strøm er allerede fristende tæt på virkeligheden, Hippalgaonkar siger. Og når først dets kommercielle løfte begynder at spille ind, deres arbejde vil kun accelerere.

Termoelektriske generatorer forklaret

En termoelektrisk generator (TEG) er en enhed, der konverterer en temperaturforskel til en spænding, og styrer strømmen af ​​elektrisk strøm omkring et kredsløb. Det er et middel til at omdanne spildvarme til elektricitet. Sådanne enheder fungerer på grund af Seebeck-effekten, som blev opdaget af den tyske fysiker Thomas Johann Seebeck i 1821.

En TEG er typisk lavet ved at bruge p- og n-type doterede halvledere til at skabe to stier, der forbinder til metalelektroder med forskellige temperaturer, en varm, en kold. Seebeck-effekten betyder, at huller (positive elektriske ladningsbærere) i p-type materiale og elektronerne (negative ladningsbærere) i n-type materiale diffunderer fra den varme elektrode til den kolde elektrode, giver således et spændings- og strømflow. Processen kan også køres omvendt, når det er kendt som Peltier-effekten, og indsprøjtningen af ​​en elektrisk strøm inducerer afkøling ved materialeforbindelsen. Termoelektriske kølere, også kendt som Peltier-kølere, bruges ofte i små enheder til at styre temperaturen på følsomme elektroniske og optoelektriske enheder, såsom laserdioder og fotodetektorer.