science >> Wetenschap >  >> Chemie

Lichaamswarmte benutten om elektronische apparaten van stroom te voorzien

De ontwikkeling van efficiënte thermo-elektrische materialen betekent dat lichaamswarmte alleen van, zeggen, iemands hand, kan worden gebruikt om kleine draagbare apparaten van stroom te voorzien, in dit geval een rode LED. Krediet:A * STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE)

Als thermo-elektrische materialen laagwaardige warmte kunnen omzetten in elektriciteit, we hoeven draagbare technologie misschien nooit meer thuis op te laden.

's Nachts, de meesten van ons pluggen een wirwar van draden en apparaten in terwijl we onze slimme horloges opladen, telefoons en fitnesstrackers. Het is een stapel die waarschijnlijk niet kleiner zal worden naarmate meer en meer draagbare technologie ons leven binnenkomt. Fabrikanten en futuristen voorspellen dat deze binnenkort zelfvoorzienend zijn in energie en dat we verlost zijn van hun rotzooi. Maar de vraag blijft:hoe? Op dit moment zijn de enige grote draagbare stroombronnen zonneladers, maar deze hebben aanzienlijke beperkingen, zowel binnen als in het donker.

Kedar Hippalgaonkar, Jianwei Xu en hun collega's van A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) denken dat ze binnenkort laagwaardige afvalwarmte – denk aan uitlaatgassen van auto’s of lichaamswarmte – kunnen gebruiken om apparaten van stroom te voorzien.

"Er wordt enorm veel laagwaardige restwarmte in het milieu gedumpt", zegt Hippalgaonkar. Het omzetten van deze warmte in elektriciteit is een grote kans die niet gemist mag worden.

Thermo-elektrische generatoren op hoge temperatuur zijn al een belangrijke krachtbron voor ruimtevaartinstrumenten. De Marsrover, Nieuwsgierigheid, en de interstellaire ruimtesonde, reiziger 2, gebruik maken van langdurige nucleaire warmte. Deze laatste draait al meer dan 40 jaar op dit type stroom. "Thermo-elektrische energieopwekking is geen nieuw idee, " legt Hippalgaonkar uit. "Het is onderzocht sinds de jaren 1950 en er is veel onderzoek gedaan naar nieuwe materialen, maar in het verleden was het meeste werk gericht op giftige, anorganische materialen en toepassingen met hoge bedrijfstemperaturen."

Hippalgaonkar is het ermee eens dat de verspreiding van Internet of Things-apparaten nu een vraag met zich meebrengt voor niet-giftige, draagbare stroombronnen. Toekomstige lichaamssensoren en draagbare apparaten kunnen constant worden gedragen als ze lichaamswarmte gebruiken om zelfvoorzienend te zijn in energie. "Maar om dat te doen, moeten we geschikte nieuwe thermo-elektrische materialen ontwikkelen die efficiënt zijn bij lagere temperaturen. niet giftig en goedkoop te produceren."

De andere grote kans is om gebruik te maken van eventuele restwarmte die via motoruitlaatgassen van auto's naar buiten komt. vliegtuigen of schepen, hij voegt toe. De opgewekte elektriciteit kan vervolgens worden teruggevoerd naar het voertuig, haar ecologische voetafdruk te verkleinen.

Het PHAROS-project van A*STAR is gericht op de materialen die deze thermo-elektrische generatoren mogelijk maken. Het vijfjarige project begon in 2016 en heeft tot doel een materiaalsamenstelling te vinden die niet-toxisch is en, ideaal, Aarde overvloedig (waardoor het goedkoop is), efficiënt, en gemakkelijk te fabriceren. Om dit te doen ontwikkelen ze minder giftige hybride materialen die organische en anorganische elementen combineren, en ze volgen die met potentieel voor het opwekken van thermo-elektrische energie op lage temperatuur.

Het project brengt Hippalgaonkar, een vastestoffysicus en een expert in het gedrag van fononen, fotonen en elektronen in nanoschaal en 2-D materialen, en Jianwei Xu, een chemicus met een uitgebreide onderzoeksachtergrond in organische materialen, vooral halfgeleidende polymeren.

Het vuur lager zetten op thermische stroom

Om persoonlijke apparaten op te laden met thermo-elektrische materialen, een generator maakt gebruik van het Seebeck-effect, waarbij een temperatuurverschil een elektrische spanning creëert op de kruising tussen twee verschillende materialen (vaak maar niet uitsluitend p- en n-gedoteerde halfgeleiders). Deze spanning kan worden gebruikt om een ​​apparaat aan te drijven of een batterij op te laden.

Daten, de meest gevestigde en succesvolle thermo-elektrische materialen zijn gebaseerd op metaaltelluriden, waaronder loodtelluride en bismuttelluride. Deze zijn in de handel verkrijgbaar en zijn gebruikt als energiebron in de ruimte, waar ze lokaal elektriciteit kunnen opwekken om satellieten en ruimtesondes van stroom te voorzien. Maar ze werken alleen goed bij hoge temperaturen, en in de ruimte wordt een nucleaire isotoop aan boord gebruikt om deze warmte op te wekken en een groot temperatuurverschil te creëren. De aanpak kan werken als een langdurige, lokale stroombron, maar de potentiële gezondheidsrisico's van nucleaire straling betekenen dat het niet geschikt is voor veel terrestrische toepassingen.

"Er is een gebrek aan efficiënte materialen die werken rond kamertemperatuur en dat is wat we willen aanpakken met het PHAROS-project, " zegt Xu. Echter, het is een uitdagende taak om nieuwe kandidaat thermo-elektrische materialen te identificeren, fabriceer ze en begrijp dan wat er gebeurt om transfers binnenin te laden.

Daten, het PHAROS-team heeft een grote verscheidenheid aan geconjugeerde halfgeleidende polymeren (zoals Polyaniline, P3HT of PEDOT:PSS) voor de organische component van hun hybriden, die vervolgens worden gecombineerd met een anorganische component gemaakt van, zeggen, tellurium nanodraden, silicium nanodeeltjes of 2D materialen zoals MoS2, MoS2. Met deze, ze hebben het gebruik van koolstofnanobuisjes als additief onderzocht.

Het team heeft ook het thermo-elektrische potentieel van methylammoniumloodjodideperovskieten1 onderzocht. een anorganisch-organisch hybride materiaalsysteem dat de laatste jaren beroemd is geworden na het succesvolle gebruik ervan in zonnecellen. Dit hybride materiaal wedijvert met silicium op het gebied van stroomconversie-efficiëntie. Het grote voordeel van het gebruik van een gedeeltelijk organisch systeem is dat het geschikt is voor oplossingsverwerking, die grote oppervlakten produceert, dun, flexibele materialen die goedkoop met inktstraal kunnen worden bedrukt.

Echter, om een ​​thermo-elektrisch materiaal goed te laten werken, moet het idealiter een grote Seebeck-coëfficiënt hebben, wat een indicatie is van hoe groot de gegenereerde spanning zal zijn voor een bepaald temperatuurverschil. En het is ook belangrijk dat het materiaal een hoge elektrische geleidbaarheid heeft om een ​​lading gemakkelijk te laten stromen, samen met een lage thermische geleidbaarheid om de temperatuurgradiënt op zijn plaats te ondersteunen.

"Het is erg moeilijk om deze eigenschappen tegelijkertijd te bereiken, ", zegt Hippalgaonkar. "Je wilt idealiter een materiaal vinden dat de lage thermische geleidbaarheid van hout combineert met de hoge elektrische geleidbaarheid van een metaal en dat is niet eenvoudig."

Materialen met een perfecte score

Om vergelijkingen tussen materialen gemakkelijker te maken, iets dat de 'ZT-waarde' wordt genoemd, is ontwikkeld om rekening te houden met de Seebeck-coëfficiënt, warmtegeleiding, elektrische geleidbaarheid en temperatuur. "We willen echt iets met een ZT van ongeveer 1, " zegt Xu, hoewel een ZT-nummer dat zo hoog is niet nodig is voor veel gebruik. Momenteel, een 1 kan worden bereikt in bismuttelluride en loodtelluride, maar beide materialen zijn giftig, duur om te vervaardigen en stijf.

Onlangs, het PHAROS-team heeft een veiliger materiaal ontwikkeld dat 10-20% van de weg is naar een perfecte thermo-elektrische scorekaart. Ze deden dit in samenwerking met onderzoekers van het in de VS gevestigde Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) door een materiaalsysteem te optimaliseren dat een zorgvuldig ontworpen geconjugeerd polymeer combineert met tellurium-nanodraden. bemoedigend, ZT-waarden van ongeveer 0,1-0,2 zijn bereikt2.

Deze ontdekking werd geholpen door Shuo-Wang Yang van het Institute of High Performance Computing bij A*Star en zijn team, die hielpen bij het verklaren van de interacties tussen de organische en de anorganische bestanddelen van materialen die zijn voorbereid door het team van Jeff Urban bij LBNL. Met experimenteel en theoretisch werk gedaan door het team van Hippalgaonkar, de fysica van hoe ladingen in deze complexe materialen stromen werd voor het eerst gedetailleerd, een sterke basis leggen voor toekomstige ontwikkeling.

"De interface tussen de organische en anorganische interface is erg belangrijk om te bestuderen, " Hippalgaonkar legt uit. "De fysica van hoe lading door zo'n complex landschap beweegt, is een hele uitdaging om te begrijpen."

"Thermo-elektrisch zal u de mogelijkheid bieden om zelfaangedreven sensoren het snelst te realiseren, " zegt Hippalgaonkar. Hartslagmeters hebben bijvoorbeeld een zeer bescheiden stroombehoefte, op de schaal van enkele honderden microwatts. Een materiaal met een ZT van 1 bij een temperatuurverschil van ongeveer 10˚C bij kamertemperatuur genereert ongeveer 50 microwatt per vierkante centimeter, en, in theorie, Het meest recente materiaal van PHAROS zou 10 microwatt per vierkante centimeter kunnen bereiken. Dus, kleinschalige draagbare themo-elektrische energie komt al verleidelijk dicht bij de realiteit, zegt Hippalgaonkar. En zodra de commerciële belofte een rol begint te spelen, hun werk zal alleen maar versnellen.

Thermo-elektrische generatoren uitgelegd

Een diagram van een thermo-elektrische stroomgenerator. Krediet:natuuronderzoek

Een thermo-elektrische generator (TEG) is een apparaat dat een temperatuurverschil omzet in een spanning, en beheert de stroom van elektrische stroom rond een circuit. Het is een middel om restwarmte om te zetten in elektriciteit. Dergelijke apparaten werken vanwege het Seebeck-effect, die in 1821 werd ontdekt door de Duitse natuurkundige Thomas Johann Seebeck.

Een TEG wordt meestal gemaakt door p- en n-type gedoteerde halfgeleiders te gebruiken om twee paden te creëren die verbinding maken met metalen elektroden met verschillende temperaturen, een hete, een koude. Het Seebeck-effect houdt in dat gaten (positieve elektrische ladingsdragers) in p-type materiaal en de elektronen (negatieve ladingsdragers) in het n-type materiaal diffunderen van de hete elektrode naar de koude elektrode, waardoor een spanning en stroom vloeien. Het proces kan ook omgekeerd worden uitgevoerd, wanneer het bekend staat als het Peltier-effect en de injectie van een elektrische stroom zorgt voor afkoeling op de materiaaljunctie. Thermo-elektrische koelers, ook bekend als Peltier-koelers, worden vaak gebruikt in kleinschalige apparaten om de temperatuur van gevoelige elektronische en opto-elektrische apparaten zoals laserdiodes en fotodetectoren te regelen.