Het opvangen van energie uit restwarmte uit de omgeving, zoals die welke door het menselijk lichaam verloren gaat, is een aantrekkelijk vooruitzicht om kleine elektronica duurzaam van stroom te voorzien. Een thermocel is een soort energie-oogstapparaat dat omgevingswarmte omzet in elektriciteit door middel van het thermische laadeffect.

Hoewel thermocellen goedkoop en efficiënt zijn, tot nu toe zijn alleen lage uitgangsspanningen - slechts tientallen millivolt (mV) - bereikt en deze spanningen zijn ook afhankelijk van de temperatuur.

Deze nadelen moeten worden aangepakt voor thermocellen om elektronica op betrouwbare wijze van stroom te voorzien en bij te dragen aan de ontwikkeling van een duurzame samenleving.

Een door de Universiteit van Tsukuba geleid onderzoeksteam heeft onlangs de energie-oogstprestaties van thermocellen verbeterd. waardoor deze technologie een stap dichter bij commercialisering komt. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten ("Energy harvesting thermocell met gebruik van faseovergang").

Het team ontwikkelde een thermocel met een materiaal dat een temperatuurgeïnduceerde faseovergang van zijn kristalstructuur vertoonde. Net boven kamertemperatuur, de atomen in dit vaste materiaal herschikten zich om een ​​andere kristalstructuur te vormen. Deze faseovergang resulteerde in een toename van de uitgangsspanning van nul tot ongeveer 120 mV, wat een aanzienlijke prestatieverbetering vertegenwoordigt ten opzichte van die van bestaande thermocellen.

"De temperatuurgeïnduceerde faseovergang van ons materiaal zorgde ervoor dat het volume toenam, " legt professor Yutaka Moritomo uit, senior auteur van de studie. "Dit verhoogde op zijn beurt de uitgangsspanning van de thermocel."

De onderzoekers waren in staat om de faseovergangstemperatuur van hun materiaal fijn af te stemmen, zodat het net boven kamertemperatuur lag. Wanneer een thermocel met dit materiaal boven deze temperatuur werd verwarmd, de faseovergang van het materiaal werd geïnduceerd, wat leidde tot een forse stijging van de uitgangsspanning van nul bij lage temperatuur tot ongeveer 120 mV bij 50 °C.

Naast het aanpakken van het probleem van een lage uitgangsspanning, de thermocel met het faseovergangsmateriaal overwon ook het probleem van een temperatuurafhankelijke uitgangsspanning. Omdat de toename van de uitgangsspanning van de thermocel veroorzaakt door de thermische faseovergang veel groter was dan de temperatuurafhankelijke fluctuaties van de uitgangsspanning, deze fluctuaties kunnen worden genegeerd.

"Onze resultaten suggereren dat de prestaties van thermocellen sterk kunnen worden verbeterd door een materiaal op te nemen dat een faseovergang vertoont bij een geschikte temperatuur, ", zegt professor Moritomo. "Dit concept is een aantrekkelijke manier om efficiëntere apparaten voor het oogsten van energie te realiseren."

Het ontwerp van het onderzoeksteam dat thermoceltechnologie combineert met een geschikt aangepast faseovergangsmateriaal leidt tot een groter vermogen om afvalwarmte te oogsten om elektronica aan te drijven, wat een ecologisch duurzaam proces is. Dit ontwerp heeft potentieel voor het leveren van onafhankelijke voedingen voor geavanceerde elektronica.