Heutzutage gibt es immer mehr drahtlos verbundene Geräte, die z. B. den Zustand von Motoren und Maschinen überwachen und in der Landwirtschaft Fernerkundung betreiben. Systeme, die als “Internet der Dinge” (IoT) bekannt sind, bergen ein großes Potenzial zur Verbesserung der Effizienz und Sicherheit von Geräten.
Dennoch gibt es immer noch Stolpersteine für das IoT, die viele potenzielle Anwendungen vereiteln. Wie kann man diese Geräte mit Strom versorgen, wenn keine zuverlässigen Stromquellen zur Verfügung stehen?
Forschungen des College of Engineering der University of Utah deuten auf eine mögliche Lösung in Form einer neuartigen Stromspeicher hin, die als pyroelektrochemische Zelle (PEC) bezeichnet wird.
Das Gerät wurde in den Forschungslabors von Roseanne Warren und Shad Roundy, beide außerordentliche Professoren für Maschinenbau, entwickelt und getestet.
“Es ist unsere Idee für ein integriertes Gerät, das thermische Energie aus der Umgebung aufnimmt und sie direkt in gespeicherte elektrochemische Energie in Form eines Superkondensators oder einer Batterie umwandelt, die für das Internet der Dinge und verteilte Sensoren eingesetzt werden kann”, sagt Warren, die Erstautorin einer neuen Studie, die einen Proof of Concept zeigt.
“Wir sprechen hier von einer sehr geringen Energiegewinnung, aber der Hauptvorteil ist die Möglichkeit, Sensoren zu haben, die verteilt werden können und nicht vor Ort aufgeladen werden müssen”, fügte sie hinzu. “Wir haben die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge erforscht und festgestellt, dass sie bei einem Temperaturanstieg oder -abfall eine Ladung erzeugen können.
Der Stromspeicher wird durch Temperaturveränderungen in der Umgebung aufgeladen, sei es in einem Auto, einem Flugzeug oder unter dem Boden in einer landwirtschaftlichen Umgebung. Theoretisch könnte das PEC Sensoren für IoT-Anwendungen mit Strom versorgen, die sonst nicht aufgeladen werden könnten.
Laut Roundy, einem Mitautor der Studie, würde eine Solarzelle in manchen Situationen gut funktionieren.
“Aber in vielen Umgebungen gibt es zwei Probleme”, sagt Roundy. “Das eine ist, dass sie mit der Zeit schmutzig wird. Solarzellen müssen sauber gehalten werden. In solchen Anwendungen werden sie also schmutzig und ihre Leistung nimmt ab. Außerdem gibt es viele Anwendungen, bei denen einfach kein Sonnenlicht zur Verfügung steht. Wir arbeiten zum Beispiel an Bodensensoren, die wir direkt unter der Oberfläche des Bodens anbringen. Dort gibt es kein Sonnenlicht.”
Das PEC verwendet ein pyroelektrisches Verbundmaterial als Separator in einer elektrochemischen Zelle. Das Material besteht aus porösem Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Bariumtitanat-Nanopartikeln. Die elektrischen Eigenschaften dieses Materials ändern sich, wenn es erhitzt oder abgekühlt wird, wodurch sich die Polarisierung des pyroelektrischen Separators verringert oder erhöht.
Wechselnde Temperaturen erzeugen ein elektrisches Feld im Inneren der Zelle, das Ionen umherschiebt und es der Zelle ermöglicht, Energie zu speichern.
“Sie speichert Strom in einer sogenannten elektrischen Doppelschicht, die die Ladung in positiven und negativen Ionenschichten speichert. Das ist eine Art Kondensator”, sagt der Hauptautor Tim Kowalchik, ein Doktorand in Warrens Labor. “Wenn du das System erwärmst und abkühlst und elektrochemische Energie speicherst, veränderst du die Menge der positiven oder negativen Ionen in diesen Schichten.
Die neue Studie testete die Theorie des Labors, wie die Zelle funktionieren würde.
“Wir hatten ein Funktionsmodell vorhergesagt, das einen ‘Orientierungseffekt’ beinhaltete”, sagte Kowalchik. “Wenn wir die umgekehrte Ausrichtung des Separators in der Zelle ändern, sollte dies die Ionen in die andere Richtung treiben. Das ist eine Änderung, die wir am System vornehmen können und die zu einem anderen Ergebnis führt, das wir sammeln können.
Das Team wollte mit seinen Experimenten herausfinden, ob die Zellen so reagieren würden, wie sie es vorhergesagt hatten. Neben dem Ausrichtungseffekt mussten auch die Auswirkungen von Wärme und Kälte getestet werden.
“Wenn du das Ding in eine Richtung erhitzt, sollte etwas passieren. Wenn du es zuerst abkühlst, sollte etwas passieren und sich anders zeigen”, sagte Kowalchik. Wir haben das mit einem Verfahren namens “Amperometrie” gemacht. Du legst eine Spannung an, hältst sie konstant und misst den Strom. Wenn sich nichts ändert, ist die Energie, die in das System fließt, konstant; wenn Energie in das System fließt, ändert sich der Strom.”
Die Zelle hat so reagiert, wie es das Team vermutet hat, aber kann sie auch außerhalb eines Labors funktionieren? Das ist die nächste Frage, der Warren nachgehen will. Eine ihrer Studentinnen arbeitet jetzt an der Modellierung von Schaltkreisen, um eine Zelle zu entwerfen und ihre Funktion zu optimieren.
Zelle könnte bis zu 100 Mikrojoule pro Quadratzentimeter aus einem einzigen Heiz-/Kühlzyklus erzeugen.
“Jetzt fangen wir an, verschiedene Parameter zu verändern”, sagt Warren. “Wie können wir die Energiegewinnung und -speicherung und die Kombination von beidem verbessern? Und danach würden wir die Zelle in der Praxis testen.
Die Zelle könnte bis zu 100 Mikrojoule pro Quadratzentimeter aus einem einzigen Heiz-/Kühlzyklus erzeugen. Das ist zwar nicht viel Energie, aber genug, um für IoT-Zwecke nützlich zu sein, heißt es in der Untersuchung.
“Du willst den Zustand deines Autos überwachen, den Zustand von Maschinen, den Zustand von Pflanzen und Böden und solche Dinge. Diese Art von Sensoren verbrauchen in der Regel weniger Strom als deine Smartwatch oder dein Handy, die ein Display haben und viele Daten übertragen”, sagt Roundy. “Die Sensoren, über die wir hier sprechen, geben vielleicht nur regelmäßige Updates und arbeiten autonom. Sie haben weder eine Schnittstelle noch einen Bildschirm”.
Die Studie mit dem Titel “Direct Conversion of Thermal Energy to Stored Electrochemical Energy via a Self-Charging Pyroelectrochemical Cell” (Direkte Umwandlung von Wärmeenergie in gespeicherte elektrochemische Energie durch eine selbstaufladende pyroelektrochemische Zelle) wurde von der National Science Foundation finanziert. An der Studie haben auch Fariha Khan und Danielle Horlacher mitgearbeitet. Horlacher ist eine Kunststudentin, die für Warrens Gruppe an wissenschaftlichen Illustrationen gearbeitet hat. Sie hat das obige Bild auf dem Titelblatt der Zeitschrift entworfen.
Materialien bereitgestellt von der University of Utah .
