Микротоки
для самых сложных случаев
электроснабжения.
Всё больше ширится спектр задач, выполняемых беспроводными устройствами, но особенно значим их потенциал в системах интернета вещей, где даже частичная автономия устройства многократно повышает его эффективность и безопасность. Однако в этой области существуют множество проблем. Например, что желать, когда надёжные источники электроэнергии для устройств IoT 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.
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.
Вся «магия» происходит в электрохимическом элементе, представляющем собой слоёный пирог с наружными электродами и помещённым между ними разделителем ‒ пироэлектрическим сепаратором. 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 ходе этих термических процессов перемещение ионов внутри элемента создаёт уменьшение или увеличение поляризации сепаратора, что, собственно, и создаёт электрическое поле, позволяя устройству запасать энергию.
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. Вдобавок работа устройства подтвердила оптимистичные прогнозы разработчиков: новый элемент питания действительно может производить до 100 мкДж/см2 за один цикл нагрева-охлаждения.
Пусть вас не смущает столь небольшое количество энергии ‒ его вполне достаточно для использования в беспроводных сетях Интернета вещей.
«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», ‒ говорит профессор Уоррен.
«Вы хотите следить за состоянием вашего автомобиля, за состоянием механизмов, за состоянием растений и почвы и тому подобными вещами, ‒ поясняет Раунди. ‒ Датчики, о которых мы говорим, могут просто периодически обновлять информацию, и они работают автономно. У них нет интерфейса или экрана».
По материалам АРМК.
