Chancen für PEC in IoT PE-Zelle sammelt und speichert Strom in entlegenen Gebieten

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Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass die pyroelektrochemische Zelle (PEC) Änderungen der Umgebungstemperatur nutzt, um sich selbst aufzuladen, und damit ihr Potenzial für Anwendungen auch im IoT unter Beweis stellt.

Heutzutage gibt es immer mehr drahtlos verbundene Geräte, die etwa den Zustand von Motoren und Maschinen überwachen oder Fernerkundung in der Landwirtschaft 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 nach wie vor Stolpersteine für das IoT, die viele potenzielle Anwendungen vereiteln. Wie kann man diese Geräte in Situationen mit Strom versorgen, in denen zuverlässige Stromquellen praktisch nicht verfügbar sind?

Forschungen des College of Engineering der University of Utah deuten auf eine mögliche Lösung in Form eines neuartigen Batterietyps hin, der pyroelektrochemischen Zelle (PEC). Die Zelle wurde in den Forschungslabors der Professoren Roseanne Warren und Shad Roundy entwickelt und getestet.

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Thermische Energie aus der Umgebung nutzen

„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, mit Anwendungen für das Internet der Dinge und verteilte Sensoren“, sagte Warren, Erstautorin einer neuen Studie, die einen Konzeptnachweis erbringt.

„Wir sprechen hier von einer sehr geringen Energieernte, aber die Möglichkeit, Sensoren zu haben, die verteilt werden können und nicht vor Ort aufgeladen werden müssen, ist der Hauptvorteil“, fügte sie hinzu. „Wir haben die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge erforscht und festgestellt, dass bei einem Temperaturanstieg oder einem Temperaturabfall eine Ladung erzeugt werden kann.“

Die Zelle wird durch Temperaturschwankungen in der Umgebung aufgeladen – sei es in einem Auto oder Flugzeug oder direkt in der Erde einer landwirtschaftlichen Umgebung. Theoretisch könnte die PEC Sensoren für IoT-Anwendungen mit Strom versorgen, deren Aufladen ansonsten unpraktisch wäre. Laut Roundy, einem Mitautor der Studie, würde eine Solarzelle in manchen Situationen zuverlässig funktionieren.

„Aber in vielen Umgebungen stößt man auf zwei Probleme“, so 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 Sensoren, die wir direkt unter der Oberfläche des Bodens anbringen. Sie werden kein Sonnenlicht abbekommen.“

Die 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. Die wechselnden Temperaturen erzeugen ein elektrisches Feld im Inneren der Zelle, das Ionen umherschiebt und 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 ein besserer Kondensator“, sagt der Hauptautor Tim Kowalchik, ein Doktorand in Warrens Labor.

„Wenn man das System erwärmt oder abkühlt und elektrochemische Energie speichert, ändert sich die Menge der positiven oder negativen Ionen in diesen Schichten.“ In der neuen Studie wurde die Theorie des Labors über die Funktionsweise der Zelle getestet.

Funktioniert im Labor – aber auch außerhalb?

„Wir hatten ein vorhergesagtes Funktionsmodell, das einen sogenannten ‚Orientierungseffekt‘ enthielt“, so Kowalchik. „Wenn wir die umgekehrte Ausrichtung des Separators in der Zelle ändern, sollte dies die Ionen in die andere Richtung treiben. Dies ist eine Änderung, die wir am System vornehmen und die zu einem anderen Ergebnis führt, das wir sammeln können.“

Die Experimente des Teams sollten zeigen, ob die Zellen wie vorhergesagt reagieren würden. Neben dem Ausrichtungseffekt mussten auch die Auswirkungen von Heizung und Kühlung getestet werden.

„Wenn man das Ding in eine Richtung erhitzt, sollte etwas passieren. Wenn man es zuerst abkühlt, sollte etwas passieren, und das sollte sich anders zeigen“, sagte Kowalchik. „Wir haben das mit einem Verfahren namens Amperometrie gemacht. Man legt eine Spannung an, hält diese konstant und misst den Strom. Wenn sich nichts ändert, bleibt die Energie, die in das System fließt, konstant; wenn Energie in das System fließt, ändert sich der Strom.“

Die Zelle reagierte so, wie das Team es sich vorgestellt hatte, 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.

„Wir fangen jetzt an, verschiedene Parameter zu ändern“, sagte Warren. „Wie können wir die Energiegewinnung und -speicherung und die Kombination aus beidem verbessern? Und danach wäre dann eine reale Felddemonstration möglich.“

Genug Energie für IoT-Zwecke

Die Zelle könnte bis zu 100 Mikrojoule pro Quadratzentimeter aus einem einzigen Heiz-/Kühlzyklus erzeugen. Das ist nicht viel Energie, aber nach Ansicht der Forscher genug, um für IoT-Zwecke nützlich zu sein.

„Sie wollen den Zustand ihres Autos, den Zustand von Maschinen, den Zustand von Pflanzen und Böden und ähnliche Dinge überwachen. Diese Art von Sensoren verbrauchen in der Regel weniger Strom als eine Smartwatch oder ein Telefon, die einen Bildschirm haben und eine Menge Daten übertragen“, so Roundy. „Die Sensoren, über die wir hier sprechen, geben vielleicht nur periodische 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“ wurde von der National Science Foundation finanziert. (sb)

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