压电能量收集器有望成为电池的替代品

judy — Mon, 24 Jan 2022 03:07:55 +0000

作者：麦姆斯咨询殷飞，来源： MEMS微信公众号

压电能量发生器的基本输入输出原理（来源：Arveni）

标准电池的问题

据麦姆斯咨询介绍，传感器功耗和尺寸的大幅降低引起了对可用于补充或替代电池的电源广泛研究。由于电池在使用前必须充电，因此人们一直不赞成使用电池。同样，分布式网络传感器和数据收集组件需要集中式能源才能运行。在少数应用中，电池充电或更换可能很昂贵甚至不可行，例如用于偏远地区结构健康监测的传感器或局部地区的湿度或温度传感器。在大规模传感器网络以及危险、广阔的安装地形中，更换电池可能是一个耗时且昂贵的工程。大都市中的嵌入式传感器网络就是一个例子。

替代选择

理性地说，在这些情况下，重点是建造能够将现场可用的任何能源转换为电能的现场发电机。最近，低功耗超大规模集成电路领域的发展，推动了以纳瓦到微瓦功率运行的超低功耗集成电路的创建。这种规模化发展为芯片级能量收集技术铺平了道路，消除了对化学电池或微传感器复杂布线的需求，为无电池的自供能传感器和网络设备开发奠定了基础。

标准电池的替代方法是利用电路周围区域的剩余能源。剩余能源由工业机械、人类活动、汽车、建筑和环境资源产生，所有这些都可用于收集少量能量，而不影响能源本身。此外，能量收集还可以为不适合使用电池的恶劣气候环境提供解决方案，例如温度高于60°C的环境。近年来，已经开发了许多从微米到纳米尺度的能量收集系统，包括太阳能、电磁、热电、电容和压电。

压电换能器

电磁、压电和静电换能器都可以将机械能转化为电能。然而，由于压电换能器具有较高的能量密度，与其它两种换能器相比，压电换能器被认为是更理想的选择。与静电换能器相比，压电换能器具有许多优点：

1. 即使薄膜厚度减小，压电材料的能量密度也保持较高水平，从而实现设备的小型化。

2. 压电换能器在低电压下运行。

3. 机械和电气部件的连接增加能量收集的可能性。

4. 易于创建高频、温度稳定的谐振系统。

压电材料类型

“压电材料”是指当施加机械应力时能够产生电荷的一类固体材料。一般来说，它们分为无机或有机两类。压电陶瓷和压电单晶是目前最常用的无机压电材料。有机压电材料主要包括聚偏氟乙烯等聚合物。某些有机纳米结构，如纳米线、纳米管和纳米颗粒也被观察到具有压电活性。

除了上述两种材料分类之外，具有高压电常数的纳米结构也被用于纳米级的能量收集。对于大规模的能量收集，压电器件的材料多数是压电陶瓷，而压电聚合物由于重量轻、体积小而得到快速发展。此外，压电单晶比压电陶瓷具有更小的压电常数和介电常数。相比之下，尽管压电聚合物具有低密度和低阻抗，但其应变常数和压电常数较小。与上述两种材料相比，压电陶瓷具有以下优点：

1. 更大的压电常数和介电常数。

2. 更高的形状延展性。

3. 材料成分容易调整，扩大了材料的应用前景。

性能增强

一个显著优势。目前已经开发了许多制造工艺来将复杂的压电材料结合到能量收集器中，从而不断提高其输出性能。振动能量收集器是利用了压电材料在施加外部振动和机械刺激时产生电场的能力。另一方面，环境振动源的加速度幅值和频率范围通常低于压电能量收集器的工作模式。此外，由于输入电源、工作带宽和输出性能的限制，大多数基于振动的压电能量收集器系统输出的功率都非常小。因此，提高性能和扩大工作带宽已成为两个关键且紧迫的研究重点。先进的方法对于优化其性能和扩大有效的工作频率范围是必要的。

结语

总体而言，随着物联网（IoT）的快速发展，压电能量收集器为智能家居、智慧城市、智慧健康、智能交通和智慧农业等应用的实施和推进带来了许多好处和前景。压电能量收集器是开发新型自导向自供电终端节点的重要且有前景的解决方案，这种终端节点能够在不需要电池充电的情况下运行更长的时间。此外，它还可以通过大大延迟电池更换时间来降低成本，这些能量收集技术可以提高所有物联网系统的韧性。

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压电能量收集器有望成为电池的替代品