Pyroelektrisk nanogenerator oplader Li-ion batteri med høstet energi

(Phys.org) - Ideen med at høste omgivende energi fra miljøet, som ellers ikke målrettet ville blive brugt, er, i teorien, en fantastisk måde at producere grønt, vedvarende energi. Men det største problem på dette temmelig nye forskningsområde er, at forskere endnu ikke har fundet en metode, der kan høste meget store mængder energi. Imidlertid, teknologien forbedres støt, som demonstreret ved udviklingen af ​​en nanogenerator, der delvist kan oplade et Li-ion-batteri ved at høste energi fra temperatursvingninger i miljøet.

Forskerne, Ya Yang og Sihong Wang fra Georgia Institute of Technology i Atlanta, Yan Zhang fra Georgia Institute of Technology og det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, og Zhong Lin Wang fra begge institutioner, har udgivet et papir om en pyroelektrisk nanogenerator i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Forskerne kalder enheden en pyroelektrisk nanogenerator (PENG), fordi den er baseret på den pyroelektriske effekt, hvor et anisotropisk materiales polarisering ændres som reaktion på temperatursvingninger, som kan bruges til at høste termisk energi. I modsætning til Seebeck -effekten, som bruges til at høste termisk energi baseret på temperaturforskellen mellem to ender af en enhed, den pyroelektriske effekt opstår i miljøer, hvor temperaturen er rumligt ensartet, men ændrer sig over tid.

"Spild af varme er en rig energikilde, der kan høstes, "Fortalte Zhong Lin Wang Phys.org . "I 2010, for eksempel, mere end 50 procent af energien genereret fra alle kilder i USA gik hovedsageligt tabt i form af spild af varme, hvilket giver os en fantastisk mulighed for at høste denne type energi ved hjælp af nanoteknologi. Høst af termoelektrisk energi er hovedsageligt afhængig af Seebeck -effekten, som udnytter en temperaturforskel mellem to ender af enheden til at drive diffusion af ladningsbærere. Tilstedeværelsen af ​​en temperaturgradient er et must for den konventionelle termoelektriske celle. Imidlertid, i et miljø, hvor temperaturen er rumligt ensartet uden en gradient, såsom udendørs i vores daglige liv, Seebeck-effekten er næppe nyttig til høst af termisk energi, der stammer fra en tidsafhængig temperatursvingning. I dette tilfælde, den pyroelektriske effekt er valget, som handler om den spontane polarisering i visse anisotrope faste stoffer som følge af temperatursvingninger, men der er få undersøgelser om brug af den pyroelektriske effekt til høst af termisk energi. "

Til dato, PENG'er har haft udgangsspændinger under 0,1 V og strøm under 1 nA, som er for lave til at drive kommerciel elektronik. Her, forskerne demonstrerede, at en PENG lavet af en tynd film af blyzirkonat titanat (PZT) har en udgangsspænding på op til 22 V, en aktuel top på 430 nA, og en strømtæthed på 171 nA/cm ² når den udsættes for en temperaturændring på 45 K med en hastighed på 0,2 K/sekund. Den tynde PZT -film er 21 mm lang, 12 mm bred, og 175 μm tyk - cirka halvdelen af ​​størrelsen på et frimærke.

Med disse forbedringer i spænding og strøm, en enkelt udgangspuls fra PENG'en kunne kontinuerligt drive en LCD i mere end 60 sekunder; sammenlignet med, en piezoelektrisk nanogenerator, som høster mekanisk energi fra miljøet, kan drive en LCD i ca. 2 sekunder.

For at udvide de potentielle anvendelser af PENG, forskerne ønskede at gemme den elektriske energi, den genererede ved temperatursvingninger. Så de tilsluttede det et Li-ion møntbatteri, og demonstrerede, at PENG’en kunne oplade batteriet fra 650 til 810 mV på cirka 3 timer. De viste derefter, at denne lagrede elektriske kapacitet kunne bruges til at drive en grøn LED i et par sekunder.

En anden potentiel anvendelse af PENG'er er trådløse sensorer. Forskerne forklarede, at trådløse sensorer kan drives af et genopladeligt Li-ion-batteri med en spænding på 2,8 V. den PENG, der er fremstillet her, har for lille en strøm til at gøre dette, da strømmen ikke helt kan overhale batteriets iboende selvafladning. Forskerne forudsiger, at en fordobling af PZT -filmens areal ville fordoble strømmen, og forøgelse af tykkelsen af ​​PZT -filmen kan også øge strømmen. Disse forbedringer kan gøre de pyroelektriske nanogeneratorer attraktive til at køre trådløse sensorer, LCD -skærme, og andre små elektroniske enheder, bare ved at høste temperaturændringerne i miljøet.

"I vores livsmiljø, temperaturændring kan komme fra et luftstrøm-induceret fald i stuetemperatur, den cykliske varmeproduktion nær en motor, sollysbelysning med en bevægelig skygge, til og fra varmt vand/luftstrøm i et rør, osv. "sagde Zhong Lin Wang.

I øjeblikket, forskerne fortsætter med at forbedre PENGs udgangseffekt og integrerer også teknologien med nogle eksisterende produkter for at demonstrere dens praktiske anvendelser.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.