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2024-04-09 21:17:32
現在、ワイヤレス接続されたデバイスは、エンジンや機械の状態の監視、農業現場でのリモートセンシングなど、幅広い用途を実行しています。 「モノのインターネット」（IoT）として知られるシステムは、機器の効率と安全性を向上させる大きな可能性を秘めています。
しかし、IoT には障害が依然として残されており、多くの潜在的なアプリケーションが妨げられています。 信頼できる電源が実際に利用できない状況で、これらのデバイスにどのように電力を供給しますか?
ユタ大学工学部の研究は、焦電気化学セル (PEC) と呼ばれる新しいタイプのバッテリーの形で解決策の可能性があることを示しています。
この装置は、機械工学の准教授であるロザンヌ・ウォーレン氏とシャッド・ラウンディ氏の研究室で開発され、テストされました。
「これは、周囲の熱エネルギーを収集し、それをスーパーキャパシタやバッテリーの形で蓄えられた電気化学エネルギーに直接変換し、モノのインターネットや分散型センサーに応用できる統合デバイスに対する私たちのアイデアです」と、この論文の上級著者であるウォーレン氏は述べた。概念実証を示す新しい研究。
「私たちは非常に低レベルのエネルギーハーベスティングについて話していますが、分散可能で現場で再充電する必要のないセンサーを搭載できることが主な利点です」と彼女は付け加えた。 「私たちはその基本的な物理学を調査し、温度の上昇または低下に応じて電荷を生成できることがわかりました。」
この研究は同誌3月21日号の表紙を飾った。 エネルギーと環境科学、王立化学会によって出版されました。
デバイスは、車や飛行機の車内、あるいは農業環境の土壌のすぐ下など、周囲の環境の温度変化によって充電されます。 理論的には、PEC は、充電が現実的ではない IoT アプリケーション用のセンサーに電力を供給することができます。
この研究の共著者であるラウンディ氏によると、太陽電池は状況によっては問題なく機能するという。
「しかし、多くの環境では 2 つの問題に遭遇します」と Roundy 氏は言います。 「1つは、時間の経過とともに汚れるということです。太陽電池は清潔に保つ必要があります。そのため、この種の用途では、汚れて電力が低下します。また、太陽光が利用できない用途もたくさんあります。たとえば、私たちは土壌センサーを土壌の上面のすぐ下に設置することに取り組んでいます。太陽光はまったく当たりません。」
PEC は、電気化学セルのセパレーターとして焦電複合材料を使用します。 この材料は、多孔質ポリフッ化ビニリデン (PVDF) とチタン酸バリウムのナノ粒子で構成されています。 この材料の電気特性は加熱または冷却されると変化し、焦電セパレーターの分極が減少または増加します。
温度が変化すると細胞内に電場が生じ、イオンが周囲に押し出され、細胞がエネルギーを蓄えることが可能になります。
「これは電気二重層と呼ばれるものに電気を蓄え、イオンのプラスとマイナスの層に電荷を蓄える。これは栄光のコンデンサだ」と筆頭著者でウォーレン研究室の大学院生ティム・コワルチク氏は語った。 「システムを加熱および冷却して電気化学エネルギーを蓄積すると、それらの層に含まれる正または負のイオンの量が変化します。」
新しい研究では、セルがどのように動作するかについての研究室の理論がテストされました。
「論文では『配向効果』と呼んでいるものを含む機能の予測モデルがありました」とコワルチク氏は語った。 「セル内のセパレーターの向きを逆に変更すると、イオンは逆方向に駆動されるはずです。これはシステムに加えることができる変更であり、収集できる異なる結果が示されます。」
チームの実験は、細胞が予測どおりに反応するかどうかを確認するために設定されました。 配向効果に加えて、加熱もあった 対。 冷却効果をテストする必要がありました。
「一方的に加熱すれば、何かが起こるはずです。最初に冷却すれば、何かが起こり、それは違った形で現れるはずです」とコワルチク氏は語った。 「私たちはアンペロメトリーと呼ばれるプロセスでそれを行いました。電圧を電圧にかけ、その電圧を一定に保ち、電流を測定します。システムに入るエネルギーは、何も変化がなければ一定ですが、システムにエネルギーが入ると、電流が変化します。」 」
細胞はチームの理論どおりに反応しましたが、研究室の外でも機能するのでしょうか? それがウォーレン氏が取り組もうとしている次の質問だ。 彼女の学生の 1 人は現在、セルを設計し、その機能を最適化するための回路モデリングに取り組んでいます。
「今、私たちはさまざまなパラメータを変更し始めています」とウォーレン氏は語った。 「エネルギーハーベスティングとエネルギー貯蔵、そしてその 2 つの組み合わせをどのように改善できるでしょうか。その後は、実際の現場でのデモンストレーションが行われることになります。」
研究によれば、このセルは1回の加熱/冷却サイクルで平方センチメートルあたり最大100マイクロジュールを生成でき、これはそれほど多くのエネルギーではないが、IoTの目的には十分に役立つという。
「車の状態、機械の状態、植物や土壌の状態などを監視したいと考えます。これらの種類のセンサーは一般に、スマートウォッチや携帯電話よりもかなり消費電力が低くなります。ディスプレイがあり、大量のデータを送信しています」とラウンディ氏は語った。 「私たちが話しているセンサーは、定期的に更新を行うだけで、自律的に動作します。インターフェースや画面はありません。」
この研究は「熱エネルギーから貯蔵された電気化学エネルギーへの直接変換」と題され、 経由 「自己充電焦電化学セル」は、国立科学財団から資金提供されました。ファリハ・カーンとダニエル・ホーラッカーも貢献しました。ホーラッカーは美術学部の学生で、ウォーレンのグループで科学イラストの研究に取り組んでいます。彼女は、上に表示された画像を作成しました。雑誌の表紙。
#新しいデバイスが遠隔設定に電力を集め蓄電する