Эффект пьезоэлектрохимического преобразователя
Эффект пьезоэлектрохимического преобразователя (PECT) представляет собой связь между электрохимическим потенциалом и механической деформацией в электродных материалах на основе ионных внедрений. Он похож на пьезоэлектрический эффект – оба демонстрируют связь напряжение-деформация – хотя эффект PECT основан на движении ионов внутри микроструктуры материала, а не на накоплении заряда в результате поляризации электрических дипольных моментов .
Было показано, что многие различные материалы проявляют эффект PECT, включая: литированный графит ; [ 1 ] углеродные волокна с литием , [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] натрий , [ 5 ] и калий ; [ 6 ] натрий черный фосфор ; [ 7 ] литированный алюминий ; [ 8 ] оксид лития-кобальта ; [ 9 ] оксида ванадия нановолокна со вставками лития и натрия ; [ 10 ] и литированный кремний . [ 11 ]
Все эти материалы демонстрируют связь напряжение-деформация, при которой материал расширяется, когда он заряжается ионами, и сжимается, когда он разряжается. Верно и обратное: при приложении механического напряжения электрический потенциал изменяется.
Это привело к появлению различных предложений по применению эффекта PECT, при этом исследования были сосредоточены на приводах , тензодатчиках и сборщиках энергии .
Происхождение
[ редактировать ]Об эффекте PECT впервые сообщил доктор Ф. Линкольн Фогель в 1981 году, когда изучал, как интеркаляционные напряжения для создания силы срабатывания в графитированных углеродных волокнах. можно использовать [ 12 ] В исследовании использовались сульфата (SO 4 ионы ) серной кислоты для интеркалирования в микроструктуру углеродных волокон , образуя интеркаляционные соединения графита (GIC). Было высказано предположение, что возможна осевая деформация до 2%, однако из-за экспериментальных ограничений наблюдалась только 0,2%. [ 13 ]
Эффект часто объясняют теориями Ларше и Кана. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] который вывел математические формулы для равновесных отношений между электрическим потенциалом , химическим потенциалом и механическим напряжением в твердых материалах. Вкратце теория утверждает, что твердые материалы под действием механического напряжения претерпевают изменение химического потенциала , что, в свою очередь, влияет на их электрический потенциал . [ 17 ]
Приложения
[ редактировать ]Активация
[ редактировать ]Поскольку материалы PECT расширяются и сжимаются при введении ионов, этот эффект можно использовать для приведения в действие . Для этого было предложено несколько различных материалов, в том числе: углеродные волокна с литием , [ 2 ] [ 3 ] [ 18 ] натрий , [ 5 ] и калий ; [ 6 ] оксид лития-кобальта ; [ 9 ] и оксида ванадия нановолокна со вставками лития и натрия . [ 10 ] Приложения для диапазона срабатывания на основе PECT из микроэлектромеханических систем (MEMS), [ 19 ] к крупным морфирующимся структурам. [ 20 ] [ 21 ]
Различные материалы демонстрируют разную степень расширения/сжатия, причем реакция зависит от типа иона, а также количества заряда. Например, кремний расширяется более чем на 300% при соединении с литием. [ 19 ] тогда как графит расширяется примерно на 13%. [ 19 ] Углеродные волокна расширяются до 1% при добавлении лития. [ 2 ] но только около 0,2% при введении с калием. [ 6 ]
Тензометрический
[ редактировать ]Поскольку материалы PECT демонстрируют изменение напряжения при приложении деформации, можно откалибровать это изменение напряжения по уровню деформации в материале. Это было предложено для применения в мониторинге состояния аккумуляторов. [ 22 ] а также структурный мониторинг состояния здоровья . [ 6 ] [ 18 ] [ 17 ]
Производство электроэнергии
[ редактировать ]Когда к материалу PECT прикладывается механическое напряжение, оно изменяет химический потенциал и, следовательно, электрический потенциал этого материала. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 23 ] Поскольку ток течет от более отрицательных материалов к более положительным материалам, можно индуцировать ток между двумя ионно связанными материалами, просто приложив механическое напряжение. Таким образом, можно использовать и преобразовывать механическую энергию в электрическую.
Было продемонстрировано, что ряд материалов способен собирать энергию на основе PECT, в том числе: углеродные волокна со вставками лития , [ 3 ] [ 24 ] [ 18 ] натрий черный фосфор ; [ 7 ] литированный алюминий ; [ 8 ] и литированный кремний . [ 11 ] Также было показано, что конструкционный композит из углеродного волокна способен собирать энергию с помощью эффекта PECT. [ 17 ] Также было показано, что обычные литий-ионные батареи способны собирать энергию на основе PECT. [ 25 ] [ 23 ]
Этот эффект чаще всего демонстрировался с использованием двухэлектродной гибочной установки: [ 7 ] [ 8 ] [ 11 ] [ 18 ] [ 17 ] [ 24 ]
- Два электрода из одного и того же материала соединены ионно через электролит и электрически через внешнюю цепь.
- Применяется изгибающая деформация, вызывающая растяжение одного электрода и сжатие другого.
- Результирующее изменение химического потенциала приводит к протеканию тока во внешней цепи, который можно использовать для питания внешнего устройства.
Сбор энергии PECT ограничен скоростью ионной диффузии и поэтому эффективен только на низкой частоте (обычно ниже примерно 1 Гц). [ 8 ]
Показатели качества для сравнения различных сборщиков энергии на основе PECT были сформулированы Preimesberger et al. [ 26 ]
Последствия для батарей
[ редактировать ]Эффект PECT также присутствует в типичных аккумуляторных электродах на основе ионных вставок (например, литий-ионных). [ 25 ] [ 27 ] [ 28 ] Электроды расширяются и сжимаются при попадании в них ионов, что является одной из проблем, которая со временем приводит к старению батареи и потере ее емкости. [ 29 ] Эффект PECT в электродах батареи может стать проблемой в ситуациях, когда электроды батареи подвергаются механической нагрузке (например, в структурных батареях ), вызывающей изменение электрического потенциала при изменении состояния напряжения.
Было предложено использовать эффект PECT в литий-ионных батареях для измерения состояния батареи. [ 22 ] и собирать механическую энергию. [ 25 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мэсси, Кэмерон; Макнайт, Джеффри; Барвоса-Картер, Уильям; Лю, Пин (06 мая 2005 г.). «Обратимая работа электрохимической интеркалацией графитовых материалов» . В Бар-Коэне, Йозеф (ред.). Умные конструкции и материалы 2005: Электроактивные полимерные приводы и устройства (EAPAD) . Том. 5759. Сан-Диего, Калифорния. стр. 322–330. дои : 10.1117/12.601491 . S2CID 137473408 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с Жак, Эрик; Хеллквист Кьель, Мария; Зенкерт, Дэн; Линдберг, Йоран; Бем, Мартен (август 2013 г.). «Расширение углеродных волокон, вызванное интеркаляцией лития, для применения в конструкционных электродах» . Карбон . 59 : 246–254. doi : 10.1016/j.carbon.2013.03.015 . ISSN 0008-6223 .
- ^ Jump up to: а б с Жак, Эрик; Линдберг, Йоран; Зенкерт, Дэн; Лейонмарк, Саймон; Кьелл, Мария Хеллквист (19 июня 2015 г.). «Пьезоэлектрохимический сбор энергии с помощью литий-интеркалирующих углеродных волокон» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 7 (25): 13898–13904. дои : 10.1021/acsami.5b02585 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 26061792 .
- ^ Зенкерт, Дэн; Харнден, Росс; Асп, Лейф Э.; Линдберг, Йоран; Йоханссон, Матс (15 марта 2024 г.). «Многофункциональные углеродные композиты с использованием электрохимии» . Композиты. Часть B: Инженерия . 273 : 111240. doi : 10.1016/j.compositesb.2024.111240 . ISSN 1359-8368 .
- ^ Jump up to: а б Харнден, Росс; Пёво, Кевин; Зенкерт, Дэн; Линдберг, Горан (2018). «Многофункциональность натриевых углеродных волокон» . Журнал Электрохимического общества . 165 (13): В616–В622. дои : 10.1149/2.0971813jes . ISSN 0013-4651 . S2CID 104833958 .
- ^ Jump up to: а б с д Харнден, Росс; Зенкерт, Дэн; Линдберг, Йоран (январь 2021 г.). «Вставка калия в углеродные волокна на основе полиакрилонитрила для многофункционального хранения энергии, морфинга и измерения деформации» . Карбон . 171 : 671–680. doi : 10.1016/j.carbon.2020.09.042 . ISSN 0008-6223 .
- ^ Jump up to: а б с Муралидхаран, Нитин; Ли, Менгья; Картер, Рэйчел Э.; Галиото, Николас; Пинт, Кэри Л. (11 августа 2017 г.). «Сверхнизкочастотный электрохимически-механический сборщик энергии с использованием 2D нанолистов черного фосфора» . Энергетические письма ACS . 2 (8): 1797–1803. doi : 10.1021/acsenergylett.7b00478 . ISSN 2380-8195 .
- ^ Jump up to: а б с д Муралидхаран, Нитин; Афолаби, Иеремия; Поделись, Кейт; Ли, Менгья; Пинт, Кэри Л. (август 2018 г.). «Полностью переходный сборщик механической энергии». Передовые технологии материалов . 3 (8): 1800083. doi : 10.1002/admt.201800083 . S2CID 117457722 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, Хунтао; Грант, Патрик С. (январь 2013 г.). «Электрохимический микроактуатор на основе высокотекстурированного LiCoO2» . Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 176 : 52–57. дои : 10.1016/j.snb.2012.08.079 . S2CID 54181550 .
- ^ Jump up to: а б Гу, Банда; Шмид, Майкл; Чиу, По-Вэнь; Минетт, Эндрю; Фрайсс, Джером; Ким, Гю Тэ; Рот, Зигмар; Козлов Михаил; Муньос, Эдгар; Боуман, Рэй Х. (май 2003 г.). «Приводы из листов нановолокна V2O5» . Природные материалы . 2 (5): 316–319. Бибкод : 2003NatMa... 2..316G дои : 10.1038/nmat880 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 12704380 . S2CID 6880905 .
- ^ Jump up to: а б с Ким, Сангте; Чой, Сун Джу; Чжао, Кеджи; Ян, Хуэй; Гобби, Джорджия; Чжан, Сулин; Ли, Цзюй (апрель 2016 г.). «Сбор механической энергии с помощью электрохимического привода» . Природные коммуникации . 7 (1): 10146. Бибкод : 2016NatCo...710146K . дои : 10.1038/ncomms10146 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4729818 . ПМИД 26733282 .
- ^ Кадинг, Глен (2007). Пьезоэлектрохимический преобразовательный эффект (PECT) Микроэлектрохимические актуаторы с интеркалированным графитом . Огайо: Департамент ВВС, Авиационный университет. п. 3.
- ^ Кадинг, Глен (2007). Пьезоэлектрохимический преобразовательный эффект (PECT) Микроэлектрохимические актуаторы с интеркалированным графитом . Огайо: Департамент ВВС, Воздушный университет. п. 18.
- ^ Jump up to: а б Ларше, Фрэнсис; Кан, Джон В. (январь 1978 г.). «Нелинейная теория термохимического равновесия твердых тел под напряжением» . Акта Металлургика . 26 (1): 53–60. дои : 10.1016/0001-6160(78)90201-8 . ISSN 0001-6160 .
- ^ Jump up to: а б Ларше, Ф; Кан, JW (август 1973 г.). «Линейная теория термохимического равновесия твердых тел под напряжением» . Акта Металлургика . 21 (8): 1051–1063. дои : 10.1016/0001-6160(73)90021-7 . ISSN 0001-6160 .
- ^ Jump up to: а б Ларше, ФК; Кан, JW (март 1985 г.). «Обзор № 41 Взаимодействие состава и напряжений в кристаллических твердых телах» . Акта Металлургика . 33 (3): 331–357. дои : 10.1016/0001-6160(85)90077-x . ISSN 0001-6160 . S2CID 97901429 .
- ^ Jump up to: а б с д Харнден, Росс; Карлстедт, Дэвид; Зенкерт, Дэн; Линдберг, Йоран (12 июля 2022 г.). «Многофункциональные композиты из углеродного волокна: конструкционный, энергосберегающий, тензочувствительный материал» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 14 (29): 33871–33880. дои : 10.1021/acsami.2c08375 . ISSN 1944-8244 . ПМЦ 9335530 . ПМИД 35820025 .
- ^ Jump up to: а б с д Харнден, Росс (2021). «Легкие многофункциональные композиты: исследование углеродных волокон с ионными вставками для структурного хранения энергии, изменения формы, сбора энергии и измерения деформации» .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: а б с Кояма, Ю.; Чин, ТЭ; Райнер, Ю.; Холман, РК; Холл, СР; Чан, Ю.-М. (03 марта 2006 г.). «Использование потенциала активации твердотельных интеркаляционных соединений» . Передовые функциональные материалы . 16 (4): 492–498. дои : 10.1002/adfm.200500633 . ISSN 1616-301X . S2CID 98388269 .
- ^ «Изменяющее форму углеродное волокно можно использовать в аэродинамике, робототехнике и т. д.» . Интересный инжиниринг.com . 13 мая 2020 г. Проверено 19 марта 2021 г.
- ^ Йоханниссон, Вильгельм; Харнден, Росс; Зенкерт, Дэн; Линдберг, Йоран (07.04.2020). «Изменение формы композита из углеродного волокна с помощью электрохимического воздействия» . Труды Национальной академии наук . 117 (14): 7658–7664. Бибкод : 2020PNAS..117.7658J . дои : 10.1073/pnas.1921132117 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 7149449 . ПМИД 32213583 .
- ^ Jump up to: а б Каннарелла, Джон. Сопряженные механические и электрохимические явления в литий-ионных аккумуляторах . Том. 76-12Б(Е). Принстонский университет. Кафедра машиностроения и аэрокосмической техники. ISBN 978-1-321-98223-7 . OCLC 933783446 .
- ^ Jump up to: а б Преймесбергер, Джулиана Ирин (2022). Исследование пьезоэлектрохимического явления с использованием литий-ионных батарей (PDF) . Принстон, Нью-Джерси: Принстонский университет.
- ^ Jump up to: а б Харнден, Росс; Карлстедт, Дэвид; Зенкерт, Дэн; Линдберг, Йоран (27 июля 2022 г.). «Многофункциональные композиты из углеродного волокна: конструкционный, энергосберегающий, тензочувствительный материал» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 14 (29): 33871–33880. дои : 10.1021/acsami.2c08375 . ISSN 1944-8244 . ПМЦ 9335530 . ПМИД 35820025 .
- ^ Jump up to: а б с Каннарелла, Джон; Арнольд, Крейг Б. (декабрь 2015 г.). «На пути к сбору низкочастотной механической энергии с использованием энергоплотных пьезоэлектрохимических материалов» . Продвинутые материалы . 27 (45): 7440–7444. Бибкод : 2015AdM....27.7440C . дои : 10.1002/adma.201502974 . ПМИД 26487160 . S2CID 205262921 .
- ^ Преймсбергер, Джулиана И.; Кан, Сын Ён; Арнольд, Крейг Б. (сентябрь 2020 г.). «Показатели качества пьезоэлектрохимических систем сбора энергии» . Джоуль . 4 (9): 1893–1906. дои : 10.1016/j.joule.2020.07.019 .
- ^ Фунаяма, Кейта; Накамура, Такаши; Кувата, Наоаки; Кавамура, Дзюнъити; Кавада, Тацуя; Амезава, Кодзи (2015). «Влияние механического напряжения на химический потенциал лития в положительных электродах и твердых электролитах для литий-ионных аккумуляторов» . Электрохимия . 83 (10): 894–897. doi : 10.5796/электрохимия.83.894 . ISSN 1344-3542 .
- ^ Каннарелла, Джон; Ленг, Коллен З.; Арнольд, Крейг Б. (5 июня 2014 г.). «О связи между напряжением и напряжением в литий-ионных аккумуляторных элементах» . В Дхаре, Нибир К.; Балая, Палани; Дутта, Ачют К. (ред.). Сбор и хранение энергии: материалы, устройства и приложения V . Том. 9115. Балтимор, Мэриленд, США. стр. 69–76. дои : 10.1117/12.2055152 . S2CID 15700625 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Пендер, Джошуа П.; Джа, Гаурав; Юн, Дак Хён; Зиглер, Джошуа М.; Андони, Илектра; Чой, Эрик Дж.; Хеллер, Адам; Данн, Брюс С.; Вайс, Пол С.; Пеннер, Реджинальд М.; Маллинз, К. Бадди (25 февраля 2020 г.). «Деградация электродов в литий-ионных батареях» . АСУ Нано . 14 (2): 1243–1295. дои : 10.1021/acsnano.9b04365 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 31895532 . S2CID 209677531 .