Materiaalkunde
Piezo-elektrische polymeren – Energie opwekken uit trillingen en structurele spanningen
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Een onderzoeksteam heeft een polymeermembraan ontwikkeld dat is gevuld met een chalcogenide perovskietverbinding en elektriciteit opwekt wanneer het onder spanning staat. Dit verschijnsel staat bekend als het piezo-elektrische effect, dat simpelweg de mogelijkheid van bepaalde materialen beschrijft om een elektrische lading te genereren wanneer mechanische spanning wordt aangelegd.
Het piezo-elektrische effect treedt op in materialen die geen kristalstructuursymmetrie hebben. Kristallen, keramiek, polymeren en biologisch materiaal zoals bot, DNA en diverse eiwitten zijn verschillende soorten piezo-elektrische materialen.
Deze materialen hebben het potentieel om de energie die verband houdt met mechanische trillingen te verzamelen. Het beste aan deze vorm van energie is dat ze overal om ons heen in overvloed aanwezig is en van nature hernieuwbaar is.
Volgens de nieuwste onderzoeksnotities, piezo-elektrische materialen die het beste presteren, bevatten vaak het chemische element lood (Pb), dat kanker kan veroorzaken, het risico op hersentumoren verhoogt en DNA-reparatie belemmert.
Materialen die lood bevatten zijn gevaarlijk, en regelgevers hebben het gebruik ervan beperkt om het milieu te beschermen.
Gezien de toxiciteit van lood, een zwaar, kneedbaar, van nature voorkomend metaal met een relatief laag smeltpunt, wordt het steeds meer uitgefaseerd uit materialen en apparaten.
Daarom was het doel van het team om een materiaal te creëren dat loodvrij is en goedkoop kan worden vervaardigd met elementen die veelvuldig in de natuur voorkomen.
Het team van het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) maakte gebruik van een materiaal dat niet alleen geen lood bevat, maar ook een van de weinige hoog presterende materialen is. Daarom is het een uitstekende kandidaat voor gebruik in biomedische toepassingen, machines en infrastructuur.
Het loodvrije materiaal dat het team gebruikte behoort tot de chalcogenide perovskietfamilie die piezo-elektriciteit vertoont. BaZrS3 was de samenstelling die in de studie werd gebruikt en waarvan wordt gemeld dat het een uitgesproken piezo-elektrische respons heeft.
Chalcogenide perovskieten hebben de laatste tijd veel aandacht en vooruitgang gekregen. Deze familie van verbindingen is gerelateerd aan perovskietstructuren, die veel gunstige eigenschappen hebben, zoals lage toxiciteit, hoge stabiliteit, directe bandgaten, goede ladingsdragertransport en sterke lichtabsorptie.
Deze eigenschappen maken perovskieten bijzonder geschikt voor toepassingen zoals fotovoltaïsche cellen, fotodetectoren, lichtgevende apparaten en fotokatalysatoren.
Interessant genoeg zijn de meeste hoog presterende piezo-elektrische materialen niet-centrumssymmetrisch en vertonen daardoor intrinsiek een hoge polariseerbaarheid. Veel oxideperovskieten, waaronder die in de studie, hebben echter een centrumssymmetrische kristalstructuur, die in zijn oorspronkelijke vorm zwak piezo-elektrisch is. Deze verbindingen zijn eigenlijk niet-polair omdat ze van nature geen netto dipoolmoment hebben.
Het dipoolmoment is de wetenschappelijke term voor de manier waarop piezo-elektrische materialen presteren onder spanning, namelijk een vervorming die positieve en negatieve ionen in het materiaal van elkaar scheidt. Dit dipoolmoment kan worden benut en omgezet in een elektrische stroom.
Maar zonder een netto dipoolmoment, hoe heeft het team piezo-elektriciteit bereikt? Ze maakten gebruik van de losse verpakking binnen de chalcogenide perovskietstructuur om dit probleem te overwinnen.
Schaalvergroting van de technologie voor groene energie-toepassingen
De nieuwste studie beschrijft dat, ondanks dat ze centrumssymmetrisch zijn, loodvrije chalcogenide perovskietmaterialen zeer snel polariseerbaar worden wanneer ze vervormd worden. Dit komt door een los verpakte eenheidscel met veel lege ruimte.
Dit aanzienlijke volume lege ruimte maakt een uitgebreide verplaatsing van ionen mogelijk, wat op zijn beurt leidt tot een vermindering van symmetrie en resulteert in een versterkt door verplaatsing gemedieerd dipoolmoment.
Het team voerde een piezorespons-krachtmicroscopie (PFM) uit op BaZrS3 om de piezo-elektriciteit van het materiaal te bevestigen.
PFM is een functioneel atomaire krachtmicroscopie (AFM)-model dat wordt erkend voor de unieke informatie die het biedt over de elektromechanische eigenschappen van verschillende materialen op nanometerschaal.
Volgens het team kan de structurele symmetrie in het chalcogenide perovskietmateriaal gemakkelijk worden verbroken onder spanning, wat leidt tot een verbeterde piezo-elektrische respons. Zodra dit bevestigd was, ontwikkelde het team composieten van BaZrS3-deeltjes verspreid in polycaprolacton.
Het nieuw gesynthetiseerde materiaal bevat barium, zirconium en zwavel, die vervolgens werden gebruikt om energie te oogsten uit menselijke lichaamsbewegingen en elektrochemische en elektronische apparaten van stroom te voorzien.
Het team testte het vermogen van het materiaal om elektriciteit te genereren door het bloot te stellen aan lichaamsbewegingen zoals hardlopen, wandelen, vingers tikken en klappen. De tijdens het experiment opgewekte elektriciteit bleek voldoende om LED-banken van stroom te voorzien, waarbij RPI werd gespeld.
“Wij zijn enthousiast en bemoedigd door onze bevindingen en hun potentieel om de overgang naar groene energie te ondersteunen.”
– Nikhil Koratkar, medeauteur van de studie
Het materiaal, volgens hem, zet mechanische energie om in elektrische energie. Volgens Koratkar:
“Hoe groter de toegepaste drukbelasting en hoe groter het oppervlak waarop de druk wordt uitgeoefend, hoe groter het effect.”
De door het team gecreëerde energie-oogstfilm is slechts 0,3 millimeter dik en kan worden geïntegreerd in diverse machines, apparaten en constructies zoals gebouwen en snelwegen om elektriciteit te produceren wanneer ze trillen, of wanneer voertuigen erover rijden.
De door het team uitgevoerde tests tonen ook aan dat de technologie op talloze manieren bruikbaar kan zijn, waaronder in een apparaat dat door fietsers of hardlopers wordt gedragen en helmen of kleding verlicht om hen beter zichtbaar te maken.
Dat gezegd hebbende, is het momenteel slechts een proof of concept. Het team hoopt “uiteindelijk dit soort materiaal op grote schaal geïmplementeerd te zien, waar het echt een verschil kan maken in de energieproductie,” zei Koratkar.
In de volgende stappen zullen de onderzoekers de volledige familie van chalcogenide perovskietverbindingen onderzoeken om een materiaal te vinden dat een krachtiger piezo-elektrisch effect vertoont. Hiervoor zal het team kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning (ML) inzetten.
“Sustainable energy production is vital to our future,” said Shekhar Garde, Ph.D., dean of the RPI School of Engineering, while applauding the RPI team’s efforts in materials discovery that he says “can help address a global problem.”
De transformerende impact van piezo-elektriciteit
Piezo-elektriciteit werd voor het eerst geïdentificeerd door Jacques en Pierre Curie in 1880, en tegenwoordig wordt het fenomeen breed toegepast in de praktijk. Het vermogen om direct elektrische en mechanische energie om te zetten maakt het zeer aantrekkelijk voor toepassingen zoals energie-oogstapparaten.
Een van de meest voorkomende voorbeelden van piezo-elektriciteit is de elektrische aansteker. Wanneer je op een knop drukt, slaat de hefboom van de veer tegen piezo-elektrische kristallen, en deze mechanische spanning creëert een elektrische stroom, die vervolgens als vlam het gas ontsteekt. Je kunt overal in je dagelijks leven voorbeelden van piezo-elektriciteit vinden.
Zoals we in ons vorige artikel hebben uitgelegd, is piezo-elektriciteit uitgegroeid tot een fundamenteel principe dat wordt gebruikt in moderne technologie, variërend van mobiele telefoons en draagbare apparaten, dempingssystemen en reinigingsoplossingen tot lucht- en ruimtevaart, sonar, diagnostische hulpmiddelen in de gezondheidszorg en actuatoren.
Gezien het brede gebruik hebben zich verschillende ontwikkelingen voorgedaan op dit gebied. Het begon allemaal met de ontwikkeling van het populaire piezo-elektrische keramiek PZT (lead zirconate titanate) ongeveer een halve eeuw geleden en daarna Polyvinylideenfluoride (PVDF) in 1964.
Sindsdien werken onderzoekers aan de ontwikkeling van nieuwe materialen en technologieën om de efficiëntie en veelzijdigheid van piezo-elektrische apparaten te verbeteren. Een belangrijk aandachtspunt is het creëren van milieuvriendelijke alternatieven voor loodhoudende keramiek zoals PZT, vanwege de groeiende zorgen over loodtoxiciteit, zoals we in de eerder genoemde studie zagen.
Onderzoekers hebben materialen zoals bariumtitanaat (BaTiO₃) en kaliumnatriumniobaat (KNN) onderzocht, die piezo-elektrische eigenschappen bieden zonder de schadelijke milieu-impact van lood.
Bovendien hebben de vooruitgangen in op polymeren gebaseerde piezo-elektrische materialen zoals PVDF en zijn copolymeren hun integratie in slimme textiel, sensoren en medische implantaten mogelijk gemaakt.
Piezo-elektrische polymeren zijn uitgebreid onderzocht voor energie-oogst vanwege hun intrinsieke flexibiliteit en veerkracht, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen waarbij het apparaat veel buiging moet ondergaan om in draagbare apparaten te worden geïntegreerd.
Draagbare elektronica vertegenwoordigen de innovatie van traditionele starre elektronica en bieden revolutionaire oplossingen in de gezondheidszorg, energie, neurowetenschappen, metaverse en duurzaamheid. Het gebruik van piezo-elektriciteit in deze apparaten stelt bedrijven in staat de behoefte aan frequente oplading en batterijen te verminderen, waardoor gebruikers profiteren van een draagbaar apparaat met verbeterde veiligheid.
Recente ontwikkelingen in nanotechnologie hebben ook de creatie van nanogestructureerde piezo-elektrische materialen mogelijk gemaakt, die verbeterde prestaties bieden bij verkleinde afmetingen.
Bijvoorbeeld, quantumdots, nanodraden en grafeen worden onderzocht vanwege hun potentieel om de gevoeligheid en efficiëntie van piezo-elektrische systemen aanzienlijk te verbeteren, wat ze zeer nuttig maakt voor toepassingen zoals flexibele elektronica en volgende-generatie beeldvormingstechnologieën.
Al deze innovaties in piezo-elektrische materialen hebben nieuwe mogelijkheden geopend in diverse sectoren, en naarmate deze vooruitgang voortduurt, zal de wereldwijde markt voor piezo-elektrische materialen naar verwachting aanzienlijke groei doormaken.
Een enorme groei in het vooruitzicht
Wat de wereldwijde markt voor piezo-elektrische materialen betreft, wordt verwacht dat deze groeit van $1,52 miljard in 2024 naar $2,19 miljard in 2032.
Hoewel de beperkte activiteiten van cruciale eindgebruikerssectoren zoals de elektronica- en automobielsectoren de vraag naar piezo-elektrische materialen sterk beïnvloedden, zag COVID-19 een piek in de vraag naar apparatuur zoals oximeters, pyrometers, elektronische thermometers en geautomatiseerde ventilatoren, die piezo-materialen gebruiken om de ene vorm van energie om te zetten in de andere. Dit beïnvloedde vervolgens de vraag naar deze materialen tijdens de crisis, noteerde het rapport over de markt voor piezo-elektrische materialen.
Regionaal wordt de Amerikaanse markt, in het bijzonder, naar verwachting aanzienlijk groeien en binnen de komende acht jaar een geschatte waarde van $248,48 miljard bereiken, gedreven door de groeiende productie in de elektronica-, IT- en telecomsectoren. Het uitgebreide ruimtevaartprogramma van het land zal ook bijdragen aan deze groei.
Tegelijkertijd bedraagt de omvang van de Azië-Pacificmarkt $0,99 miljard, met een marktaandeel van 68,28% in 2023. Deze dominantie is te wijten aan het feit dat Azië-Pacific zich ontwikkelt tot een productiehub voor elektronica en consumentengoederen, waarbij China, Japan, Taiwan, India en Zuid-Korea zich richten op het uitbreiden van hun productiecapaciteit.
Hoewel de markt voor piezo-elektrische materialen in Latijns-Amerika zich in een vroeg stadium bevindt, is er een toenemende vraag waargenomen in het Midden-Oosten en Afrika vanwege de groeiende gezondheidszorg- en elektronica-industrie in die regio.
Wat betreft toepassingen, wordt de markt voor piezo-elektrische materialen gesegmenteerd in sensoren, resonatoren, generatoren & transformatoren, actuatoren, transducers, SONAR, akoestische apparaten, motoren en andere.
Onder deze segmenten wordt verwacht dat de sensordivisie aanzienlijk zal groeien dankzij de toepassing van de technologie in diverse sectoren, waaronder consumentenelektronica, productielijnen en autonome voertuigen.
Tegelijkertijd worden actuatoren, die elektrische signalen van het systeem omzetten in mechanische energie voor controle om een specifieke handeling uit te voeren, verwacht het grootste marktaandeel van de piezo-elektrische materialenmarkt te behalen, gedreven door hun toepassing in robotarmen, precisiecontrole van industriële bewerkingsgereedschappen en rem- en versnellingssystemen van voertuigen.
Consumentenproducten zoals magnetrons, televisies, wasmachines en op afstand bestuurbare speelgoed, die piezo-materialen gebruiken voor de bediening en werking van deze producten, zullen naar verwachting hun leidende positie op de wereldmarkt behouden. Achterblijvend is de automobielindustrie, die naar verwachting een stabiele CAGR zal vertonen.
Bedrijven die piezo-elektrische technologieën gebruiken
Als het gaat om bedrijven die dit veld vooruitstuwen, hebben we USound, wiens MEMS-luidsprekers het piezo-elektrische effect benutten, en Noliac, die piezo-actuatoren, generatoren en transformatoren ontwikkelt.
Kinetic Ceramics is nog een bedrijf waarvan de specialiteiten onder andere piezo-elektrische actuatoren, piezo-elektrische kleppen, solid-state pompen, precisiebewerking, intelligente systemen en bewegingsregelsystemen omvatten.
Amphenol Corporation’s Piezo Technologies (APH ) specialiseert zich ook in piezo-elektrische keramische materialen en ultrasone transducers. Hun producten omvatten ook apparaten, assemblages en systemen die worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, defensie, automotive, transport en civiele techniek.
CTS Corporation (CTS ) produceert piezo-elektrische producten voor de med-tech, lucht- en ruimtevaart, en industriële sectoren. Het bedrijf met een marktkapitalisatie van $1,43 miljard wordt momenteel verhandeld tegen $47,21, een stijging van 7,93% jaar-tot-datum (YTD). Het heeft een EPS (TTM) van 1,77 en een P/E (TTM) van 26,66, terwijl het een dividendrendement van 0,34% uitkeert.
CTS Prijsgrafiek
L3Harris Technologies
Dit bedrijf levert end-to-end technologische oplossingen die de lucht-, ruimte-, land-, zee- en cyberdomeinen verbinden. Het ontwerpt ook piezo-elektrische keramische vormen voor diverse toepassingen op het gebied van militair sonar en akoestiek, medische beeldvorming, kankertherapie en energie-oogst. L3Harris kan bogen op meer dan 70 jaar expertise in materiaalkunde bij het formuleren van hoogpresterende piezo-elektrische keramieken, waaronder PZT-, PT- en PMN-materialen voor zowel militaire als commerciële klanten.
De piezo-elektrische keramische poederformuleringen van het bedrijf zijn uniform, hoogpresterend, fijnkorrelig en dicht, waardoor ze geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen, waaronder transducers en sterk op maat gemaakte materialen die kankerbehandeling, medicijnafgifte, beeldvorming en wondverzorging ondersteunen. Piezo-elektrische keramieken van L3Harris oogsten energie uit druk of trillingen die anders verloren zou gaan, waardoor de afhankelijkheid van batterijen wordt verminderd door stroom te leveren aan draadloze sensornetwerken.
LHX Prijsgrafiek
Op het moment van schrijven worden LHX-aandelen verhandeld tegen $248,15, een stijging van 17,82% dit jaar tot nu toe, wat een marktkapitalisatie van $47 miljard oplevert. Met dat cijfer heeft het bedrijf een EPS (TTM) van 6,25 en een P/E (TTM) van 39,72, terwijl het een dividendrendement van 1,87% uitkeert. Terwijl L3Harris Technologies (LHX ) haar Q3 2024 financiële resultaten in de komende dagen zal publiceren, rapporteerde het bedrijf voor 2Q24 een omzet van $4,5 miljard, een stijging van 13%, terwijl de operationele marge 9% bedroeg.
“We leverden opnieuw een sterk kwartaal met financiële resultaten en verbeterde marges, wat onze toewijding aan operationele uitmuntendheid en een onvermoeibare focus op uitvoering weerspiegelt, waardoor waarde wordt geleverd aan onze klanten en aandeelhouders.”
– CEO Christopher E. Kubasik
Conclusie
Van straatverlichting die wordt aangedreven door het verkeer tot vloeren die de verlichting van een gebouw kunnen voeden en banden die een voertuig opladen, piezo-elektrische materialen hebben het potentieel om de sector voor schone energie te revolutioneren. Deze materialen kennen echter ook uitdagingen, vandaar de ontwikkeling van loodvrije piezo-elektrische materialen.
Deze nieuwe materialen, zoals chalcogenide perovskieten, vormen een belangrijke vooruitgang in duurzame energie-oogsttechnologieën. Met hun lage toxiciteit, hoge stabiliteit en verbeterde piezo-elektrische respons onder spanning kunnen ze het potentieel van piezo-elektrische materialen echt realiseren en de energieopwekking revolutioneren. En terwijl onderzoekers deze nieuwe materialen blijven verkennen met behulp van AI, kan dit veld de weg vrijmaken voor innovaties in biomedische apparaten, infrastructuur en draagbare technologie op een duurzame manier.
