Пироэлектрохимия. Энергия перепада температур.

Пироэлектрохимический элемент (PEC) преобразует тепловую энергию в электричество и сохраняет её. Источник.

Всё больше ширится спектр задач, выполняемых беспроводными устройствами. Им сегодня доверено множество функций: мониторинг процессов, работы и состояния техники; обеспечение безопасности; дистанционное зондирование в различных сферах деятельности: исследовательской, горнопромышленной, сельскохозяйственной. Но, конечно, их потенциал куда более заметен в системах, известных как «Интернет вещей» (IoT). Здесь даже частичная автономия устройства многократно повышает его эффективность и безопасность.

Однако в этой области существуют некоторые нерешённые проблемы, в очень многих случаях сводящие наши планы на применение беспроводного оборудования почти на нет. Например, мы до сих пор не решили вопрос с периодической подзарядкой устройств в сложных ситуациях, когда надёжные источники электроэнергии практически недоступны?

Адъюнкт-профессора машиностроения Розанна Уоррен и Шэд Раунди, исследователи из Инженерного колледжа Университета Юты, считают, что возможным решением может стать пироэлектрохимический элемент (PEC) ‒ новый тип батареи, который они разработали и протестировали в исследовательских лабораториях университета. Исследование опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.

«Это наша идея для интегрированного устройства, которое могло бы собирать тепловую энергию окружающей среды и преобразовывать её непосредственно в накопленную электрохимическую энергию в форме суперконденсатора или батареи, применяемых для Интернета вещей и распределённых датчиков», ‒ рассказывает Розанна Уоррен, старший автор нового исследования, подтвердившего действенность предложенной концепции.

«Мы говорим об очень низком уровне сбора энергии, но главным преимуществом является возможность использования датчиков, которые можно распределять и не нуждаться в подзарядке в полевых условиях, ‒ добавила она. ‒ Мы изучили основы его физики и обнаружили, что оно может генерировать заряд при повышении или понижении температуры».

Устройство заряжается при изменении температуры окружающей среды, будь то внутри автомобиля, самолёта или непосредственно под почвой сельхозугодий. При этом, теоретически, PEC сможет питать IoT-датчики, подзарядка которых в ином случае была бы слишком непрактична; да настолько, что их использование либо потребовало бы более основательных решений, либо вообще осталось под вопросом.

Раунди, соавтор исследования, признаёт, что в некоторых ситуациях прекрасным выходом из ситуации стали бы обычные солнечные батареи, но иногда и они не могут стать решением.

«Во многих средах вы сталкиваетесь с двумя проблемами, ‒ поясняет учёный. ‒ Одна из них заключается в том, что со временем она [солнечная панель] загрязняется. Солнечные элементы необходимо содержать в чистоте. Таким образом, в использованиях такого типа они загрязняются и их мощность снижается. Кроме того, существует множество задач, в которых вам просто недоступен солнечный свет. Например, мы работаем с датчиками почвы, которые размещаем непосредственно под верхней поверхностью почвы. Вы не получите никакого солнечного света».

Другое дело ‒ PEC, вся «магия» которого происходит в электрохимическом элементе, представляющем собой слоёный пирог с наружными электродами и помещённым между ними пироэлектрическим сепаратором (разделителем). Здесь, посредством этой композитной «начинки», движение температур создаёт электрическое поле. Этот разделитель состоит из пористого поливинилиденфторида (PVDF) и наночастиц титаната бария, чем и обусловлена зависимость его электрических свойств от происходящего нагревания или охлаждения.

В состоянии покоя PEC стабилизируется до некоторого распределения ионов и ёмкости двойного слоя, возникающей между сепаратором и электродами; при этом, в ответ на это состояние покоя, энергия поля сепаратора равна нулю ‒ то есть ничего не происходит. А вот с ростом внешних температур диполи внутри композита перестают выравниваться, в результате чего, по сравнению с состоянием покоя, внутри PEC возникает индуцированное электрическое поле E. Вследствие этого свободные ионы в электролите реагируют на поле и проходят через разделитель, наполняя двойные электрические слои большим зарядом и увеличивая запасаемую энергию.

Таким образом, происходящее в ходе этих термических процессов перемещение ионов внутри элемент, создаёт уменьшение или увеличение поляризации сепаратора, что, собственно, и создаёт электрическое поле, позволяя устройству запасать энергию.

Основная идея: a) концептуальная иллюстрация беспроводных IoT-датчиков на базе PEC: потенциальные источники энергии здесь ‒ почвы, выхлопные трубы машин, самолёта и другие, вызывающие колебания температуры со временем; b) структура устройства PEC: токосъёмники, электроды (батарея или суперконденсатор), электролит и пористые пироэлектрический сепаратор; c) теория работы: стабилизация распределения ионов и ёмкости двойного слоя Cdl в PEC в состоянии покоя и рост индуцированного электрического поля E внутри PEC при нагревании. Источник.

Иными словами, сепаратор создаёт электрическое поле внутри PEC при воздействии изменения температуры во времени. А электрическое поле, в свою очередь, загоняет ионы в двойные слои электродов для зарядки элемента.

«Оно накапливает электричество в так называемом двойном электрическом слое, который накапливает заряд в положительных и отрицательных слоях ионов. Это старый добрый конденсатор, ‒ поясняет ведущий автор Тим Ковальчик, аспирант лаборатории профессора Уоррен. ‒ Когда вы нагреваете и охлаждаете систему и накапливаете электрохимическую энергию, вы изменяете количество положительных или отрицательных ионов, находящихся в этих слоях».

Экспериментальной проверке теория подверглась в ходе лабораторных исследований функциональной и принципиальной работоспособности получившегося элемента питания. Команда стремилась определить, будут ли клетки реагировать изначально предполагаемым образом.

«У нас была спрогнозированная функциональная модель, которая включала в себя то, что мы назвали в статье "эффектом ориентации", ‒ говорит Ковальчик. ‒ Если мы изменим ориентацию сепаратора в ячейке на обратную, ионы будут перемещаться в другую сторону. Мы можем применить к системе это изменение, которое покажет, что мы можем получить другой результат».

По результатам экспериментов выяснилось, что итоги моделирования ситуации вполне соответствуют действительному поведению PEC при термоциклировании. При этом прогнозируемые эффекты пироэлектрической ориентации наблюдались в двух тестах. Однако помимо эффекта ориентации, также было необходимо протестировать результаты воздействий нагрева и охлаждения ‒ главных явлений, ставших основной причиной поиска решений.

«Если вы нагреваете устройство одним способом, у вас должно что-то получиться. Если вы сначала охладите его, у вас должно что-то получиться, и это должно проявляться по-другому, ‒ рассказывает Ковальчик. ‒ Мы сделали это с помощью процесса, называемого амперометрией. Вы подаёте на него напряжение, поддерживаете это напряжение постоянным и измеряете ток. Ваша энергия, поступающая в систему, постоянна, если ничего не меняется; если же в систему поступает энергия, ток меняется».

Тестирование этим методом обнаружило, что, при нагревании, пироэлектрический сепаратор демонстрирует увеличение измеренного тока на 155%. Для сравнения: непироактивный сепаратор в таких же условиях показал увеличение измеренного тока всего в 35%. Также, по итогам четырёх циклов изменения температур (20-30-20°C) в условиях разомкнутой цепи, выяснилось, что PEC заряжается на 0,65 мВ.

Кроме того, моделирование методом конечных элементов подтверждает, что, за счёт управляемого пироэлектрическим полем ионного потока, PEC производит самозарядку. Это вдохновило разработчиков на прогнозы о том, что его оптимизация позволит им только за счёт обычных колебаний температур генерировать более 100 мкДж энергии.

Итак, элемент действительно реагировал так, как предполагали исследователи, но как он покажет себя в реальной ситуации? Может ли он работать вне лаборатории? Это следующий вопрос, на который пытается ответить Уоррен. Одна из её учениц занялась схемным моделированием, чтобы спроектировать элемент и оптимизировать-таки его эффективность.

«Теперь мы начинаем изменять различные параметры, ‒ говорит профессор. ‒ Как мы можем улучшить сбор и хранение энергии и их комбинацию? А затем после этого будет реальная демонстрация в полевых условиях».

Работа сделана, и вот демонстрация подтвердила прогнозы: новый элемент питания действительно может производить до 100 мкДж/см² за один цикл нагрева-охлаждения. И пусть вас не смущает столь небольшое количество энергии ‒ его вполне достаточно для использования в беспроводных сетях Интернета вещей.

«Вы хотите следить за состоянием вашего автомобиля, за состоянием механизмов, за состоянием растений и почвы и тому подобными вещами. Как правило, датчики такого типа потребляют немного меньше энергии, чем ваши умные часы или телефон, у которых есть дисплей, и они передают много данных, ‒ поясняет Раунди. ‒ Датчики, о которых мы говорим, могут просто периодически обновлять информацию, и они работают автономно. У них нет интерфейса или экрана».

АРМК, по материалам Университета Юты.