Energy Harvesting Energiegewinnung mit intelligenten Materialien

Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Forscher haben eine Möglichkeit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit bei der Energie-Ernte mit „elektrostriktiven Polymeren“, einer Gruppe der intelligenten Werkstoffe, gefunden

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Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus zur Energieernte mit elektrostriktiven Polymeren.
Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus zur Energieernte mit elektrostriktiven Polymeren.
(Bild: Appl. Phys. Lett. 108, 042901 (2016); http://dx.doi.org/10.1063/1.4939859)

Energy Harvesting entwickelt sich für elektronische Geräte zu einer wirksamen Methode, um Energie aus ihrem Umfeld aufzunehmen und in elektrische Energie für Speicher umzuwandeln und besitzt das Potenzial, als alternative Energieversorgung für Batterien in mobilen und kabellosen elektronischen Geräten zu dienen.

„Elektrostriktive Polymere“, eine Gruppe der elektroaktiven Polymere, werden seit mehreren Jahren von Forschern des französischen Nationalen Institutes für angewandte Wissenschaften in Lyon (INSA de Lyon) auf ihre potenziellen mechanischen energieerzeugenden Fähigkeiten hin erforscht.

Werden elektrostriktive Polymere einem äußeren elektrischen Feld ausgesetzt, können sie eine feldinduzierte Formveränderung erfahren. Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht hängt unter anderem von der Permittivität des Materials, seiner Dicke und von der angelegten Spannung ab.

„Die elektrostriktiven Polymere sind nicht von Natur aus piezoelektrisch“ sagte Yin, Wissenschaftler am INSA. „Aber ein pseudo-piezoelektrischer Effekt kann induziert werden, wenn eine hohe elektrische Vorspannung (DC) angelegt wird. Daraus resultierend wurde der pseudo-piezoelektrischer Effekt für die mechanische Energieerzeugung mit elektrostriktiven Polymeren adaptiert.

Zudem wurden verschiedene Einflussfaktoren auf die mechanische Energieerzeugung untersucht, unter anderem die angelegte elektrische Vorspannung sowie die Amplitude und die Frequenz einer von außen hervorgerufenen Verformung. Dabei erkannten die Forscher, dass durch Erhöhung der angelegten Vorspannung die Effizienz der Energieumwandlung gesteigert werden kann.

Vor allem wenn sie ein mit Weichmacher modifiziertes „Terpolymer“ einsetzten, zeigte sich unter gleicher Verformung eine gesteigerte Leistungsfähigkeit der mechanischen Energieerzeugung: Bei einem angelegten Feld von 39 MV/m erzielten die Wissenschaftler eine Effizienz der Energieumwandlung von 34% und eine entsprechende elektrische Leistungsdichte von 4,31 mW/cm3.

Dieses könnte somit für die Entwicklung hochsensitiver Kraftsensoren dienen. „Die ‚verlustbehaftete‘ dielektrische und mechanische Eigenschaft des modifizierten Terpolymer spielt eine entscheidende Rolle für das auf elektrostriktiven Polymeren basierende Energy Harvesting“ sagte Yin. „Die Kombination dieser Sensoren mit modernen Produktionstechniken, wie Tintenstrahl- oder 3D-Druck, sollte den Bau eines Sensornetzwerkes vereinfachen“, so Yin weiter.

Als nächstes möchte die Gruppe die Roll des elektrostriktiven Polymers während des Umwandlungsprozesses von mechanischer zu elektrischer Energie untersuchen, um Leitfäden zur Entwicklung mechanischer, auf elektrostriktiven Polymeren basierenden, Energy-Harvestern zu erstellen.

Ein weiteres Ziel ist es, einen effizienteren Weichmacher für die Modifizierung des Terpolymers zu finden, welcher zu geringeren Energieverlusten beiträgt und zusätzlich die elektromechanische Leistungsfähigkeit bei einem niedrigen angelegten elektrischen Feld verbessert. Denn, je niedriger das elektrische Feld desto sicherer ist es für verschiedene Anwendungen.

Originalveröffentlichung:

X. Yin et al.: Mechanical energy harvesting via a plasticizer-modified electrostrictive polymer, Applied Physics Letters, 2016; DOI: 10.1063/1.4939859

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