Oferir fonts d'electricitat sostenibles és un dels reptes més importants d'aquest segle. D'aquesta motivació sorgeixen àrees de recerca en materials de captació d'energia, com ara la termoelèctrica1, la fotovoltaica2 i la termofotovoltaica3. Encara que ens falten materials i dispositius capaços de recollir energia en el rang de Joule, els materials piroelèctrics que poden convertir l'energia elèctrica en canvis periòdics de temperatura es consideren sensors4 i recol·lectors d'energia5,6,7. Aquí hem desenvolupat un recol·lector d'energia tèrmica macroscòpica en forma de condensador multicapa fet de 42 grams de tantalat d'escandi de plom, que produeix 11,2 J d'energia elèctrica per cicle termodinàmic. Cada mòdul piroelèctric pot generar una densitat d'energia elèctrica de fins a 4,43 J cm-3 per cicle. També mostrem que dos mòduls d'aquest tipus que pesen 0,3 g són suficients per alimentar contínuament recol·lectors d'energia autònoms amb microcontroladors i sensors de temperatura integrats. Finalment, mostrem que per a un rang de temperatura de 10 K, aquests condensadors multicapa poden arribar al 40% d'eficiència Carnot. Aquestes propietats es deuen a (1) canvi de fase ferroelèctric per obtenir una alta eficiència, (2) corrent de fuga baixa per evitar pèrdues i (3) alta tensió de ruptura. Aquestes recol·lectores d'energia piroelèctrica macroscòpicas, escalables i eficients estan reimaginant la generació d'energia termoelèctrica.
En comparació amb el gradient de temperatura espacial necessari per als materials termoelèctrics, la recollida d'energia dels materials termoelèctrics requereix un cicle de temperatura al llarg del temps. Això significa un cicle termodinàmic, que es descriu millor pel diagrama d'entropia (S)-temperatura (T). La figura 1a mostra un diagrama ST típic d'un material piroelèctric no lineal (NLP) que demostra una transició de fase ferroelèctrica-paraelèctrica impulsada pel camp en tantalat de plom escandi (PST). Les seccions blaves i verdes del cicle del diagrama ST corresponen a l'energia elèctrica convertida en el cicle d'Olson (dues seccions isotèrmiques i dues seccions isòpols). Aquí considerem dos cicles amb el mateix canvi de camp elèctric (camp activat i apagat) i canvi de temperatura ΔT, encara que amb temperatures inicials diferents. El cicle verd no es troba a la regió de transició de fase i, per tant, té una àrea molt més petita que el cicle blau situat a la regió de transició de fase. En el diagrama ST, com més gran sigui l'àrea, més gran serà l'energia recollida. Per tant, la transició de fase ha de recollir més energia. La necessitat de ciclisme d'àrea gran en NLP és molt similar a la necessitat d'aplicacions electrotèrmiques9, 10, 11, 12 on els condensadors multicapa (MLC) PST i els terpolímers basats en PVDF han mostrat recentment un excel·lent rendiment invers. Estat de rendiment de refrigeració al cicle 13,14,15,16. Per tant, hem identificat MLC PST d'interès per a la recollida d'energia tèrmica. Aquestes mostres s'han descrit completament en els mètodes i s'han caracteritzat a les notes complementàries 1 (microscòpia electrònica d'exploració), 2 (difracció de raigs X) i 3 (calorimetria).
a, Esbós d'una gràfica d'entropia (S)-temperatura (T) amb camp elèctric activat i desactivat aplicat a materials NLP que mostra transicions de fase. Es mostren dos cicles de recollida d'energia en dues zones de temperatura diferents. Els cicles blau i verd es produeixen dins i fora de la transició de fase, respectivament, i acaben en regions molt diferents de la superfície. b, dos anells unipolars DE PST MLC, d'1 mm de gruix, mesurats entre 0 i 155 kV cm-1 a 20 °C i 90 °C, respectivament, i els cicles d'Olsen corresponents. Les lletres ABCD fan referència a diferents estats del cicle d'Olson. AB: Els MLC es van carregar a 155 kV cm-1 a 20 ° C. BC: MLC es va mantenir a 155 kV cm-1 i la temperatura es va elevar a 90 ° C. CD: MLC descarrega a 90 °C. DA: MLC refrigerat a 20 ° C en camp zero. L'àrea blava correspon a la potència d'entrada necessària per iniciar el cicle. L'àrea taronja és l'energia recollida en un cicle. c, panell superior, tensió (negre) i corrent (vermell) en funció del temps, seguit durant el mateix cicle d'Olson que b. Les dues insercions representen l'amplificació de tensió i corrent en punts clau del cicle. Al panell inferior, les corbes grogues i verdes representen les corbes de temperatura i energia corresponents, respectivament, per a un MLC d'1 mm de gruix. L'energia es calcula a partir de les corbes de corrent i tensió del panell superior. L'energia negativa correspon a l'energia recollida. Els passos corresponents a les majúscules de les quatre xifres són els mateixos que en el cicle d'Olson. El cicle AB'CD correspon al cicle Stirling (nota addicional 7).
on E i D són el camp elèctric i el camp de desplaçament elèctric, respectivament. Nd es pot obtenir indirectament a partir del circuit DE (Fig. 1b) o directament iniciant un cicle termodinàmic. Els mètodes més útils van ser descrits per Olsen en el seu treball pioner sobre la recollida d'energia piroelèctrica a la dècada de 198017.
A la fig. La figura 1b mostra dos bucles DE monopolars de mostres PST-MLC d'1 mm de gruix muntades a 20 ° C i 90 ° C, respectivament, en un rang de 0 a 155 kV cm-1 (600 V). Aquests dos cicles es poden utilitzar per calcular indirectament l'energia recollida pel cicle d'Olson que es mostra a la figura 1a. De fet, el cicle d'Olsen consta de dues branques isotèrmiques (aquí, camp zero a la branca DA i 155 kV cm-1 a la branca BC) i dues branques isotèrmiques (aquí, 20°С i 20°С a la branca AB) . C a la branca CD) L'energia recollida durant el cicle correspon a les regions taronja i blava (integral EdD). L'energia recollida Nd és la diferència entre l'energia d'entrada i la de sortida, és a dir, només la zona taronja de la fig. 1b. Aquest cicle d'Olson en particular dóna una densitat d'energia Nd d'1,78 J cm-3. El cicle Stirling és una alternativa al cicle Olson (Nota suplementària 7). Com que s'arriba més fàcilment a l'etapa de càrrega constant (circuit obert), la densitat d'energia extreta de la figura 1b (cicle AB'CD) arriba a 1,25 J cm-3. Això és només el 70% del que el cicle Olson pot recollir, però un simple equip de collita ho fa.
A més, vam mesurar directament l'energia recollida durant el cicle d'Olson energitzant el PST MLC mitjançant una etapa de control de temperatura Linkam i un mesurador de font (mètode). La figura 1c a la part superior i a les insercions respectives mostra el corrent (vermell) i la tensió (negre) recollits al mateix PST MLC d'1 mm de gruix que per al bucle DE que passa pel mateix cicle d'Olson. El corrent i la tensió permeten calcular l'energia recollida, i les corbes es mostren a la fig. 1c, fons (verd) i temperatura (groc) durant tot el cicle. Les lletres ABCD representen el mateix cicle d'Olson a la figura 1. La càrrega MLC es produeix durant el tram AB i es realitza a un corrent baix (200 µA), de manera que SourceMeter pot controlar correctament la càrrega. La conseqüència d'aquest corrent inicial constant és que la corba de tensió (corba negra) no és lineal a causa del camp de desplaçament de potencial no lineal D PST (Fig. 1c, inserció superior). Al final de la càrrega, s'emmagatzemen 30 mJ d'energia elèctrica a l'MLC (punt B). Aleshores, l'MLC s'escalfa i es produeix un corrent negatiu (i, per tant, un corrent negatiu) mentre la tensió es manté a 600 V. Després de 40 s, quan la temperatura va assolir un altiplà de 90 °C, aquest corrent es va compensar, tot i que la mostra de pas va produir al circuit una potència elèctrica de 35 mJ durant aquest isocamp (segon requadre a la figura 1c, a dalt). A continuació, es redueix la tensió a l'MLC (branca CD), donant lloc a 60 mJ addicionals de treball elèctric. L'energia total de sortida és de 95 mJ. L'energia recollida és la diferència entre l'energia d'entrada i de sortida, que dóna 95 – 30 = 65 mJ. Això correspon a una densitat d'energia d'1,84 J cm-3, que és molt propera al Nd extret de l'anell DE. La reproductibilitat d'aquest cicle d'Olson s'ha provat àmpliament (Nota suplementària 4). En augmentar encara més la tensió i la temperatura, vam aconseguir 4,43 J cm-3 mitjançant cicles Olsen en un PST MLC de 0,5 mm de gruix en un rang de temperatures de 750 V (195 kV cm-1) i 175 ° C (Nota suplementària 5). Això és quatre vegades més gran que el millor rendiment reportat a la literatura per als cicles directes d'Olson i es va obtenir sobre pel·lícules primes de Pb (Mg, Nb) O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3) 18 (cm. Suplementari). Taula 1 per a més valors a la literatura). Aquest rendiment s'ha assolit a causa del corrent de fuga molt baix d'aquests MLC (<10−7 A a 750 V i 180 °C, vegeu els detalls a la nota complementària 6), un punt crucial esmentat per Smith et al.19, en canvi. als materials utilitzats en estudis anteriors17,20. Aquest rendiment s'ha assolit a causa del corrent de fuga molt baix d'aquests MLC (<10−7 A a 750 V i 180 °C, vegeu els detalls a la nota complementària 6), un punt crucial esmentat per Smith et al.19, en canvi. als materials utilitzats en estudis anteriors17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 °C пи 10–7 А одробности в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Aquestes característiques es van aconseguir a causa del corrent de fuga molt baix d'aquests MLC (<10–7 A a 750 V i 180 ° C, vegeu la nota complementària 6 per obtenir més informació), un punt crític esmentat per Smith et al. 19 – a diferència dels materials utilitzats en estudis anteriors17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说昸低（在由于这些，请参见补充说昸低（在玆 中昻6渭玆时时 时<10-7 A，等人19 提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20.由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 见 补充 说 翘歅 说息息）））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比下 下比之比之下下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下下 相比之下之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下下到早期研究中使用的材料17.20. Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробнтости подробнтости подробности поль ии 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Atès que el corrent de fuga d'aquests MLC és molt baix (<10–7 A a 750 V i 180 ° C, vegeu la nota complementària 6 per obtenir més informació), un punt clau esmentat per Smith et al. 19: per comparar, es van aconseguir aquestes actuacions.als materials utilitzats en estudis anteriors 17,20.
Les mateixes condicions (600 V, 20–90 ° C) aplicades al cicle de Stirling (nota suplementària 7). Tal com s'esperava dels resultats del cicle DE, el rendiment va ser de 41,0 mJ. Una de les característiques més sorprenents dels cicles de Stirling és la seva capacitat per amplificar la tensió inicial mitjançant l'efecte termoelèctric. Hem observat un guany de tensió de fins a 39 (des d'una tensió inicial de 15 V fins a una tensió final de fins a 590 V, vegeu la figura suplementària 7.2).
Una altra característica distintiva d'aquests MLC és que són objectes macroscòpics prou grans per recollir energia en el rang de joule. Per tant, vam construir un prototip de recol·lector (HARV1) amb 28 MLC PST d'1 mm de gruix, seguint el mateix disseny de plaques paral·leles descrit per Torello et al.14, en una matriu de 7×4 tal com es mostra a la figura. el col·lector és desplaçat per una bomba peristàltica entre dos dipòsits on la temperatura del fluid es manté constant (mètode). Recolliu fins a 3,1 J utilitzant el cicle d'Olson descrit a la fig. 2a, regions isotèrmiques a 10 °C i 125 °C i regions isotèrmiques a 0 i 750 V (195 kV cm-1). Això correspon a una densitat d'energia de 3,14 J cm-3. Amb aquesta combinació, es van prendre mesures en diverses condicions (Fig. 2b). Tingueu en compte que es va obtenir 1,8 J en un rang de temperatura de 80 °C i una tensió de 600 V (155 kV cm-1). Això està d'acord amb els 65 mJ esmentats anteriorment per a PST MLC d'1 mm de gruix en les mateixes condicions (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configuració experimental d'un prototip HARV1 muntat basat en 28 PST MLC d'1 mm de gruix (4 files × 7 columnes) que s'executen en cicles Olson. Per a cadascun dels quatre passos del cicle, la temperatura i la tensió es proporcionen al prototip. L'ordinador acciona una bomba peristàltica que fa circular un fluid dielèctric entre els dipòsits fred i calent, dues vàlvules i una font d'energia. L'ordinador també utilitza termoparells per recollir dades sobre la tensió i el corrent subministrats al prototip i la temperatura de la combinació de la font d'alimentació. b, Energia (color) recollida pel nostre prototip MLC de 4 × 7 en funció del rang de temperatura (eix X) i tensió (eix Y) en diferents experiments.
Una versió més gran de la recol·lectora (HARV2) amb 60 PST MLC d'1 mm de gruix i 160 PST MLC de 0,5 mm de gruix (41,7 g de material piroelèctric actiu) va donar 11,2 J (Nota suplementària 8). L'any 1984, Olsen va fabricar una recol·lectora d'energia basada en 317 g d'un compost de Pb(Zr,Ti)O3 dopat amb estany capaç de generar 6,23 J d'electricitat a una temperatura d'uns 150 °C (ref. 21). Per a aquesta combinació, aquest és l'únic altre valor disponible en el rang de joule. Va obtenir una mica més de la meitat del valor que vam aconseguir i gairebé set vegades la qualitat. Això significa que la densitat d'energia de HARV2 és 13 vegades més gran.
El període del cicle HARV1 és de 57 segons. Això va produir 54 mW de potència amb 4 files de 7 columnes de conjunts MLC d'1 mm de gruix. Per fer-ho un pas més enllà, vam construir una tercera combinació (HARV3) amb un PST MLC de 0,5 mm de gruix i una configuració similar a HARV1 i HARV2 (Nota suplementària 9). Hem mesurat un temps de termalització de 12,5 segons. Això correspon a un temps de cicle de 25 s (figura suplementària 9). L'energia recollida (47 mJ) dóna una potència elèctrica d'1,95 mW per MLC, que al seu torn ens permet imaginar que HARV2 produeix 0,55 W (aproximadament 1,95 mW × 280 PST MLC de 0,5 mm de gruix). A més, vam simular la transferència de calor mitjançant la simulació d'elements finits (COMSOL, nota suplementària 10 i taules suplementàries 2-4) corresponents als experiments HARV1. El modelatge d'elements finits va permetre predir valors de potència gairebé un ordre de magnitud superiors (430 mW) per al mateix nombre de columnes PST aprimant el MLC a 0,2 mm, utilitzant aigua com a refrigerant i restaurant la matriu a 7 files. . × 4 columnes (a més de , hi havia 960 mW quan el dipòsit estava al costat de la combinació, figura suplementària 10b).
Per demostrar la utilitat d'aquest col·lector, es va aplicar un cicle Stirling a un demostrador autònom format per només dos MLC PST de 0,5 mm de gruix com a col·lectors de calor, un interruptor d'alta tensió, un interruptor de baixa tensió amb condensador d'emmagatzematge, un convertidor DC/DC. , un microcontrolador de baixa potència, dos termoparells i un convertidor de reforç (Nota suplementària 11). El circuit requereix que el condensador d'emmagatzematge es carregui inicialment a 9 V i després funcioni de manera autònoma mentre la temperatura dels dos MLC oscil·la entre -5 °C i 85 °C, aquí en cicles de 160 s (a la nota complementària 11 es mostren diversos cicles). . Notablement, dos MLC que pesen només 0,3 g poden controlar de manera autònoma aquest gran sistema. Una altra característica interessant és que el convertidor de baixa tensió és capaç de convertir 400V a 10-15V amb un 79% d'eficiència (Nota suplementària 11 i figura suplementària 11.3).
Finalment, hem avaluat l'eficiència d'aquests mòduls MLC en la conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica. El factor de qualitat η d'eficiència es defineix com la relació entre la densitat de l'energia elèctrica recollida Nd i la densitat de la calor subministrada Qin (Nota suplementària 12):
Les figures 3a, b mostren l'eficiència η i l'eficiència proporcional ηr del cicle d'Olsen, respectivament, en funció del rang de temperatura d'un PST MLC de 0,5 mm de gruix. Tots dos conjunts de dades es donen per a un camp elèctric de 195 kV cm-1. L'eficiència \(\this\) arriba a l'1,43%, que equival al 18% de ηr. Tanmateix, per a un rang de temperatura de 10 K de 25 °C a 35 °C, ηr arriba a valors de fins al 40% (corba blava a la figura 3b). Aquest és el doble del valor conegut per als materials NLP registrats en pel·lícules PMN-PT (ηr = 19%) en el rang de temperatures de 10 K i 300 kV cm-1 (Ref. 18). Els intervals de temperatura inferiors a 10 K no es van considerar perquè la histèresi tèrmica del PST MLC està entre 5 i 8 K. El reconeixement de l'efecte positiu de les transicions de fase sobre l'eficiència és crític. De fet, els valors òptims de η i ηr s'obtenen gairebé tots a la temperatura inicial Ti = 25 °C a les Figs. 3a,b. Això es deu a una transició de fase propera quan no s'aplica cap camp i la temperatura de Curie TC és d'uns 20 ° C en aquests MLC (nota suplementària 13).
a,b, l'eficiència η i l'eficiència proporcional del cicle d'Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } per al màxim elèctric per un camp de 195 kV cm-1 i diferents temperatures inicials Ti, }}\,\)(b) per al MPC PST de 0,5 mm de gruix, depenent de l'interval de temperatura ΔTspan.
Aquesta darrera observació té dues implicacions importants: (1) qualsevol cicle efectiu ha de començar a temperatures superiors a TC perquè es produeixi una transició de fase induïda pel camp (de paraelèctric a ferroelèctric); (2) aquests materials són més eficients en temps d'execució propers al TC. Tot i que els nostres experiments mostren eficiències a gran escala, el rang de temperatures limitat no ens permet aconseguir grans eficiències absolutes a causa del límit de Carnot (\(\Delta T/T\)). Tanmateix, l'excel·lent eficiència demostrada per aquests MLC PST justifica Olsen quan esmenta que “un motor termoelèctric regeneratiu de classe 20 ideal que funcioni a temperatures entre 50 °C i 250 °C pot tenir una eficiència del 30%”17. Per arribar a aquests valors i provar el concepte, seria útil utilitzar PST dopats amb diferents TC, tal com han estudiat Shebanov i Borman. Van demostrar que el TC en PST pot variar des de 3 °C (dopatge Sb) fins a 33 °C (dopatge Ti) 22 . Per tant, suposem que els regeneradors piroelèctrics de propera generació basats en MLC PST dopats o altres materials amb una forta transició de fase de primer ordre poden competir amb les millors recol·lectores d'energia.
En aquest estudi, hem investigat els MLC fets a partir de PST. Aquests dispositius consisteixen en una sèrie d'elèctrodes Pt i PST, mitjançant els quals es connecten diversos condensadors en paral·lel. Es va escollir PST perquè és un material EC excel·lent i, per tant, un material PNL potencialment excel·lent. Presenta una forta transició de fase ferroelèctrica-paraelèctrica de primer ordre al voltant dels 20 °C, cosa que indica que els seus canvis d'entropia són similars als que es mostren a la figura 1. S'han descrit completament MLC similars per als dispositius EC13,14. En aquest estudi, hem utilitzat MLC de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Els MLC amb un gruix d'1 mm i 0,5 mm es van fer a partir de 19 i 9 capes de PST amb un gruix de 38,6 µm, respectivament. En ambdós casos, la capa interna de PST es va col·locar entre elèctrodes de platí de 2, 05 µm de gruix. El disseny d'aquests MLC suposa que el 55% dels PST estan actius, corresponents a la part entre els elèctrodes (Nota suplementària 1). L'àrea de l'elèctrode actiu era de 48,7 mm2 (taula suplementària 5). MLC PST es va preparar mitjançant reacció en fase sòlida i mètode de fosa. Els detalls del procés d'elaboració s'han descrit en un article anterior14. Una de les diferències entre PST MLC i l'article anterior és l'ordre dels llocs B, que afecta molt el rendiment de l'EC a PST. L'ordre dels llocs B de PST MLC és de 0,75 (Nota suplementària 2) obtingut per sinterització a 1400 °C seguit d'un recuit de centenars d'hores a 1000 °C. Per obtenir més informació sobre PST MLC, vegeu les notes complementàries 1-3 i la taula suplementària 5.
El concepte principal d'aquest estudi es basa en el cicle d'Olson (Fig. 1). Per a aquest cicle, necessitem un dipòsit fred i calent i una font d'alimentació capaç de supervisar i controlar la tensió i el corrent en els diferents mòduls MLC. Aquests cicles directes utilitzaven dues configuracions diferents, a saber (1) mòduls Linkam que escalfaven i refredaven un MLC connectat a una font d'alimentació Keithley 2410 i (2) tres prototips (HARV1, HARV2 i HARV3) en paral·lel amb la mateixa font d'energia. En aquest darrer cas, es va utilitzar un fluid dielèctric (oli de silicona amb una viscositat de 5 cP a 25 °C, comprat a Sigma Aldrich) per a l'intercanvi de calor entre els dos dipòsits (calent i fred) i el MLC. El dipòsit tèrmic consisteix en un recipient de vidre ple de fluid dielèctric i col·locat a la part superior de la placa tèrmica. L'emmagatzematge en fred consisteix en un bany maria amb tubs líquids que contenen fluid dielèctric en un gran recipient de plàstic ple d'aigua i gel. Es van col·locar dues vàlvules de pinçament de tres vies (comprates a Bio-Chem Fluidics) a cada extrem de la combinació per canviar correctament el fluid d'un dipòsit a un altre (figura 2a). Per garantir l'equilibri tèrmic entre el paquet PST-MLC i el refrigerant, el període de cicle es va allargar fins que els termoparells d'entrada i sortida (el més a prop possible del paquet PST-MLC) van mostrar la mateixa temperatura. L'script de Python gestiona i sincronitza tots els instruments (mesuradors de font, bombes, vàlvules i termoparells) per executar el cicle Olson correcte, és a dir, el bucle de refrigerant comença a circular per la pila PST després de carregar el mesurador d'origen perquè s'escalfi a la temperatura desitjada. tensió aplicada per a un cicle d'Olson donat.
Alternativament, hem confirmat aquestes mesures directes de l'energia recollida amb mètodes indirectes. Aquests mètodes indirectes es basen en llaços de camp de desplaçament elèctric (D) - camp elèctric (E) recollits a diferents temperatures, i calculant l'àrea entre dos bucles DE, es pot estimar amb precisió quanta energia es pot recollir, tal com es mostra a la figura. . a la figura 2. .1b. Aquests bucles DE també es recullen mitjançant comptadors de font Keithley.
Es van muntar vint-i-vuit MLC PST d'1 mm de gruix en una estructura de plaques paral·leles de 4 fileres i 7 columnes segons el disseny descrit a la referència. 14. L'espai de fluid entre les files PST-MLC és de 0,75 mm. Això s'aconsegueix afegint tires de cinta de doble cara com a separadors líquids al voltant de les vores del PST MLC. El PST MLC està connectat elèctricament en paral·lel amb un pont epoxi de plata en contacte amb els cables de l'elèctrode. Després d'això, es van enganxar cables amb resina epoxi de plata a cada costat dels terminals de l'elèctrode per connectar-los a la font d'alimentació. Finalment, inseriu tota l'estructura a la mànega de poliolefina. Aquest últim està enganxat al tub de fluid per garantir un segellat adequat. Finalment, es van incorporar termoparells de tipus K de 0,25 mm de gruix a cada extrem de l'estructura PST-MLC per controlar les temperatures del líquid d'entrada i sortida. Per fer-ho, primer s'ha de perforar la mànega. Després d'instal·lar el termopar, apliqueu el mateix adhesiu que abans entre la mànega del termopar i el cable per restaurar el segellat.
Es van construir vuit prototips separats, quatre dels quals tenien PST MLC de 40 0,5 mm de gruix distribuïts com a plaques paral·leles amb 5 columnes i 8 files, i els quatre restants tenien PST MLC de 15 1 mm de gruix cadascun. en estructura de plaques paral·leles de 3 columnes × 5 fileres. El nombre total de PST MLC utilitzats va ser de 220 (160 de 0,5 mm de gruix i 60 PST MLC d'1 mm de gruix). Anomenem aquestes dues subunitats HARV2_160 i HARV2_60. El buit líquid del prototip HARV2_160 consta de dues cintes de doble cara de 0,25 mm de gruix amb un cable de 0,25 mm de gruix entre elles. Per al prototip HARV2_60, vam repetir el mateix procediment, però amb un cable de 0,38 mm de gruix. Per a la simetria, HARV2_160 i HARV2_60 tenen els seus propis circuits de fluids, bombes, vàlvules i costat fred (Nota suplementària 8). Dues unitats HARV2 comparteixen un dipòsit de calor, un recipient de 3 litres (30 cm x 20 cm x 5 cm) sobre dues plaques calefactores amb imants giratoris. Els vuit prototips individuals estan connectats elèctricament en paral·lel. Les subunitats HARV2_160 i HARV2_60 funcionen simultàniament en el cicle d'Olson, donant lloc a una recollida d'energia d'11,2 J.
Col·loqueu PST MLC de 0,5 mm de gruix a la mànega de poliolefina amb cinta de doble cara i cable a banda i banda per crear espai perquè flueixi el líquid. A causa de la seva petita mida, el prototip es va col·locar al costat d'una vàlvula de dipòsit calent o fred, minimitzant els temps de cicle.
A PST MLC, s'aplica un camp elèctric constant aplicant una tensió constant a la branca de calefacció. Com a resultat, es genera un corrent tèrmic negatiu i s'emmagatzema energia. Després d'escalfar el PST MLC, el camp s'elimina (V = 0) i l'energia emmagatzemada en ell es retorna al comptador de font, que correspon a una contribució més de l'energia recollida. Finalment, amb una tensió V = 0 aplicada, els PST MLC es refreden a la seva temperatura inicial perquè el cicle pugui començar de nou. En aquesta etapa, no es recull energia. Vam executar el cicle Olsen amb un Keithley 2410 SourceMeter, carregant el PST MLC des d'una font de tensió i establint la coincidència actual amb el valor adequat perquè es recollissin prou punts durant la fase de càrrega per a càlculs d'energia fiables.
En els cicles de Stirling, els MLC PST es van carregar en mode font de tensió a un valor de camp elèctric inicial (tensió inicial Vi > 0), un corrent de compliment desitjat de manera que el pas de càrrega triga al voltant d'1 s (i es reuneixen prou punts per a un càlcul fiable de l'energia) i la temperatura freda. En els cicles de Stirling, els MLC PST es van carregar en mode font de tensió a un valor de camp elèctric inicial (tensió inicial Vi > 0), un corrent de compliment desitjat de manera que el pas de càrrega triga al voltant d'1 s (i es reuneixen prou punts per a un càlcul fiable de l'energia) i la temperatura freda. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном заряжались зальника (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает занимает окол то соло зарядки ное количество точек для надежного расчета энергия) i холодная температура. En els cicles Stirling PST MLC, es van carregar en el mode font de tensió al valor inicial del camp elèctric (tensió inicial Vi > 0), el corrent de rendiment desitjat, de manera que l'etapa de càrrega triga aproximadament 1 s (i un nombre suficient). de punts es recullen per a un càlcul fiable d'energia) i temperatura freda.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）压源模式下以初始电场值使得充电步骤大约需要1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 En el cicle mestre, el PST MLC es carrega al valor del camp elèctric inicial (tensió inicial Vi > 0) en el mode de font de tensió, de manera que el corrent de compliment requerit triga aproximadament 1 segon per al pas de càrrega (i hem recollit prou punts per calcular de manera fiable (energia) i baixa temperatura. A ение vi> 0), требе ток податливости таков O . En el cicle de Stirling, el PST MLC es carrega en el mode font de tensió amb un valor inicial del camp elèctric (tensió inicial Vi > 0), el corrent de compliment requerit és tal que l'etapa de càrrega triga aproximadament 1 s (i un nombre suficient). de punts es recullen per calcular de manera fiable l'energia) i les temperatures baixes.Abans que el PST MLC s'escalfi, obriu el circuit aplicant un corrent coincident de I = 0 mA (el corrent de concordança mínim que pot gestionar la nostra font de mesura és de 10 nA). Com a resultat, una càrrega roman al PST del MJK i la tensió augmenta a mesura que la mostra s'escalfa. No es recull energia al braç BC perquè I = 0 mA. Després d'arribar a una temperatura elevada, la tensió a l'MLT FT augmenta (en alguns casos més de 30 vegades, vegeu la fig. 7.2 addicional), l'MLK FT es descarrega (V = 0) i s'emmagatzema energia elèctrica en ells durant el mateix ja que són el càrrec inicial. La mateixa correspondència actual es retorna a la font del comptador. A causa del guany de tensió, l'energia emmagatzemada a alta temperatura és superior a la que es proporcionava a l'inici del cicle. En conseqüència, l'energia s'obté transformant la calor en electricitat.
Hem utilitzat un Keithley 2410 SourceMeter per controlar la tensió i el corrent aplicats al PST MLC. L'energia corresponent es calcula integrant el producte de voltatge i corrent llegit pel mesurador de font de Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), on τ és el període del període. A la nostra corba d'energia, els valors d'energia positius signifiquen l'energia que hem de donar a l'MLC PST, i els valors negatius signifiquen l'energia que n'extreim i, per tant, l'energia rebuda. La potència relativa per a un cicle de recollida donat es determina dividint l'energia recollida pel període τ de tot el cicle.
Totes les dades es presenten en el text principal o en informació addicional. Les cartes i les sol·licituds de materials s'han d'adreçar a la font de les dades AT o ED proporcionades amb aquest article.
Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC Una revisió del desenvolupament i les aplicacions de microgeneradors termoelèctrics per a la recollida d'energia. Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC Una revisió del desenvolupament i les aplicacions de microgeneradors termoelèctrics per a la recollida d'energia.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO i Henao, NC Visió general del desenvolupament i aplicació de microgeneradors termoelèctrics per a la recollida d'energia. Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO i Henao, NC estan considerant el desenvolupament i l'aplicació de microgeneradors termoelèctrics per a la recollida d'energia.currículum. suport. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materials fotovoltaics: eficiències actuals i reptes futurs. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materials fotovoltaics: eficiències actuals i reptes futurs.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK Materials fotovoltaics: rendiment actual i reptes futurs. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. i Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materials solars: eficiència actual i reptes futurs.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK Materials fotovoltaics: rendiment actual i reptes futurs.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Efecte piro-piezoelèctric conjunt per a la detecció simultània de temperatura i pressió autoalimentada. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Efecte piro-piezoelèctric conjunt per a la detecció simultània de temperatura i pressió autoalimentada.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Efecte piropiezoelèctric combinat per a la mesura simultània autònoma de temperatura i pressió. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Per a l'autoalimentació al mateix temps que la temperatura i la pressió.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Efecte termopiezoelèctric combinat per a la mesura simultània autònoma de temperatura i pressió.Endavant. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Energy harvesting basat en els cicles piroelèctrics d'Ericsson en una ceràmica ferroelèctrica relaxant. Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Energy harvesting basat en els cicles piroelèctrics d'Ericsson en una ceràmica ferroelèctrica relaxant.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Energy harvesting basat en cicles d'Ericsson piroelèctrics en ceràmica ferroelèctrica relaxant.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Energy harvesting in relaxor ferroelectric ceramics based on Ericsson pyroelectric cycling. alma mater intel·ligent. estructura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica en estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica en estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW го преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica d'estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW го преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica d'estat sòlid.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. Estàndard i figura de mèrit per quantificar el rendiment dels nanogeneradors piroelèctrics. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. Estàndard i figura de mèrit per quantificar el rendiment dels nanogeneradors piroelèctrics.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Una puntuació estàndard i de qualitat per quantificar el rendiment dels nanogeneradors piroelèctrics. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Criteris i mesures de rendiment per quantificar el rendiment d'un nanogenerador piroelèctric.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Cicles de refredament electrocalòric en tantalat d'escandi de plom amb regeneració real mitjançant variació de camp. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Cicles de refredament electrocalòric en tantalat d'escandi de plom amb regeneració real mitjançant variació de camp.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Cicles de refredament electrocalòric en tantalat de plom-escandi amb regeneració real mitjançant modificació de camp. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环，通过场变化实现真正的倂 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND. Tàntal酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Un cicle de refredament electrotèrmic de tantalat de plom d'escandi per a una regeneració real mitjançant la inversió de camp.física Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials calòrics a prop de les transicions de fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials calòrics a prop de les transicions de fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials calòrics prop de les transicions de fase ferroide. Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials tèrmics propers a la metal·lúrgia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials tèrmics prop de les transicions de fase de ferro.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Materials calòrics per a la refrigeració i la calefacció. Moya, X. & Mathur, ND Materials calòrics per a la refrigeració i la calefacció.Moya, X. i Mathur, ND Materials tèrmics per a la refrigeració i la calefacció. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Materials tèrmics per a la refrigeració i la calefacció.Moya X. i Mathur ND Materials tèrmics per a refrigeració i calefacció.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Coolers electrocalòrics: una ressenya. Torelló, A. & Defay, E. Coolers electrocalòrics: una ressenya.Torello, A. i Defay, E. Refrigeradors electrocalòrics: una revisió. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. i Defay, E. Refrigeradors electrotèrmics: una revisió.Avançat. electrònica. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme eficiència energètica del material electrocalòric en escandi-escandi-plom molt ordenat. Comunicació nacional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. L'efecte electrotèrmic dels condensadors multicapa d'òxid és gran en un ampli rang de temperatures. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Gran rang de temperatures en regeneradors electrotèrmics. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistema de refrigeració electrotèrmica d'estat sòlid d'alt rendiment. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Dispositiu de refrigeració electrotèrmica en cascada per a un gran augment de la temperatura. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Conversió directa d'alta eficiència de calor a mesures piroelèctriques relacionades amb l'energia elèctrica. Olsen, RB & Brown, DD Conversió directa d'alta eficiència de calor a mesures piroelèctriques relacionades amb l'energia elèctrica.Olsen, RB i Brown, DD Conversió directa altament eficient de calor en energia elèctrica associada a mesures piroelèctriques. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB i Brown, DDOlsen, RB i Brown, DD Conversió directa eficient de calor a electricitat associada a mesures piroelèctriques.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energia i densitat de potència en pel·lícules ferroelèctriques relaxants fines. alma mater nacional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: optimització de la transició de fase ferroelèctrica i les pèrdues elèctriques. Smith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: optimització de la transició de fase ferroelèctrica i les pèrdues elèctriques.Smith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: transició de fase ferroelèctrica i optimització de pèrdues elèctriques. Smith, AN i Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN i Hanrahan, BMSmith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: optimització de transicions de fase ferroelèctrica i pèrdues elèctriques.J. Aplicació. física. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR L'ús de materials ferroelèctrics per convertir l'energia tèrmica en electricitat. procés. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertidor d'energia piroelèctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertidor d'energia piroelèctrica en cascada.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Convertidors d'energia piroelèctrica en cascada.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Sobre solucions sòlides de tantalat de plom-escandi amb alt efecte electrocalòric. Shebanov, L. & Borman, K. Sobre solucions sòlides de tantalat de plom-escandi amb alt efecte electrocalòric.Shebanov L. i Borman K. Sobre solucions sòlides de tantalat de plom-escandi amb un alt efecte electrocalòric. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. i Borman, K.Shebanov L. i Borman K. Sobre solucions sòlides d'escandi-plom-escandi amb un alt efecte electrocalòric.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Donem les gràcies a N. Furusawa, Y. Inoue i K. Honda per la seva ajuda en la creació del MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED Gràcies a la Fundació Nacional de Recerca de Luxemburg (FNR) per donar suport a aquest treball a través de CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay i BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departament d'Investigació i Tecnologia de Materials, Institut Tecnològic de Luxemburg (LIST), Belvoir, Luxemburg