Mit dem Fortschritt der IoT-Technologie stellt die Frage, wie diese Geräte mit Strom versorgt werden können, insbesondere an Standorten, an denen zuverlässige Stromquellen knapp sind, eine große Herausforderung dar.
Forscher am College of Engineering der University of Utah haben eine neue Batterieform entwickelt, die zur Lösung dieses Dilemmas beitragen könnte. Die Lösung, die sich im Proof-of-Concept-Stadium befindet, ist eine pyroelektrochemische Zelle (PEC).
Das von den außerordentlichen Professoren für Maschinenbau Roseanne Warren und Shad Roundy entwickelte integrierte Gerät nutzt die Wärmeenergie der Umgebung und wandelt sie in gespeicherte elektrochemische Energie um. Dadurch entsteht effektiv ein Superkondensator oder eine Batterie, die sich ideal für IoT- und Sensoranwendungen eignen könnte.
Niedrige Energieniveaus
Das Gerät funktioniert, indem es sich bei Änderungen der Umgebungstemperatur auflädt, unabhängig davon, ob es sich in einem Fahrzeug, einem Flugzeug oder sogar unter der Erde in einer landwirtschaftlichen Umgebung befindet.
„Wir reden von einem sehr geringen Energiegewinnungsgrad“, sagte Warren, „aber der Hauptvorteil ist die Möglichkeit, Sensoren zu haben, die verteilt werden können und nicht vor Ort aufgeladen werden müssen.“ Wir haben die grundlegende Physik erforscht und herausgefunden, dass es bei einem Temperaturanstieg oder -abfall eine Ladung erzeugen kann.“
Während Solarzellen eine alternative Energiequelle für IoT-Geräte darstellen können, werfen die praktischen Aspekte oft Probleme auf. „In vielen Umgebungen stößt man auf zwei Probleme“, sagte Roundy. „Einer ist, dass es mit der Zeit schmutzig wird. Solarzellen müssen sauber gehalten werden. Bei solchen Anwendungen verschmutzen sie und ihre Leistung lässt nach. Und dann gibt es noch viele Anwendungen, bei denen einfach kein Sonnenlicht zur Verfügung steht. Wir arbeiten zum Beispiel an Bodensensoren, die wir direkt unter der Erdoberfläche platzieren. Du wirst kein Sonnenlicht bekommen.“
Durch die Verwendung eines pyroelektrischen Verbundmaterials aus porösem Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Bariumtitanat-Nanopartikeln als Separator in einer elektrochemischen Zelle ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Geräts, wenn es erhitzt oder abgekühlt wird. Durch diese Aktion wird die Polarisation des pyroelektrischen Separators verändert. Diese Temperaturverschiebung erzeugt wiederum ein elektrisches Feld innerhalb der Zelle, das Ionen bewegt und es der Zelle ermöglicht, Energie zu speichern.
Obwohl ein einziger Heiz-/Kühlzyklus nur bis zu 100 Mikrojoule pro Quadratzentimeter erzeugt, könnte dies für die Anforderungen einiger IoT-Anwendungen ausreichen.
Die von der National Science Foundation finanzierte Studie ist das Titelthema der Ausgabe der Zeitschrift vom 21. März Energie- und Umweltwissenschaftenherausgegeben von der Royal Society of Chemistry.
