Piezoelektriska polymerer – utnyttja vibrationer och strukturella påfrestningar för fri energi

Ett forskarteam har skapat en polymerfilm fylld med en chalcogenid-perovskitförening som genererar elektricitet när den utsätts för påfrestning. Detta fenomen är känt som piezoelektrisk effekt, vilket helt enkelt är förmågan hos vissa material att generera en elektrisk laddning när mekanisk stress appliceras.

Den piezoelektriska effekten uppstår i material som saknar kristallstrukturell symmetri. Kristaller, keramer, polymerer och biologiskt material såsom ben, DNA och olika proteiner är olika typer av piezoelektriska material.

Sådana material har potential att samla in energi relaterad till mekaniska vibrationer. Det bästa med denna energiform är att den finns överallt omkring oss i riklig mängd och är förnybar till sin natur.

Men enligt de senaste forskningsanteckningarna tenderar de piezoelektriska materialen som presterar bäst att innehålla grundämnet bly (Pb), vilket kan orsaka cancer, öka risken för hjärntumörer och hindra DNA-reparation.

Material som innehåller bly är farliga, och tillsynsmyndigheter har begränsat deras användning för att skydda miljön.

Med tanke på blyets toxicitet, som är ett tungt, formbart, naturligt förekommande metall med relativt låg smältpunkt, fasas det i allt högre grad ut ur material och enheter.

Därför var teamets mål att skapa ett material som var blyfritt och som kunde tillverkas kostnadseffektivt med element som är vanligt förekommande i naturen.

Så använde teamet från Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ett material som inte bara är blyfritt utan också ett av de få högpresterande. Därför är det en utmärkt kandidat för användning i biomedicinska tillämpningar, maskiner och infrastruktur.

Det blyfria material som teamet använde tillhör chalcogenid-perovskitfamiljen som uppvisar piezoelektricitet. BaZrS3 var den sammansättning som användes i studien, och den rapporteras ha ett uttalat piezoelektriskt svar.

Chalcogenid-perovskiter har på senare tid fått mycket uppmärksamhet och framsteg. Denna familj av föreningar är relaterad till perovskitstrukturer, som har många fördelaktiga egenskaper såsom låg toxicitet, hög stabilitet, direkta bandgap, goda laddningsbärartransportförmågor och stark ljusabsorption.

Dessa egenskaper gör perovskiter särskilt framstående i tillämpningar som fotovoltaik, fotodetektorer, ljusemitterande enheter och fotokatalysatorer.

Intressant nog är de flesta högpresterande piezoelektriska material icke-centralsymmetriska och visar därför en inneboende hög polariserbarhet. Många oxidperovskiter, inklusive den som användes i studien, har dock en centralsymmetrisk kristallstruktur, vilket är svagt piezoelektriskt i sin ursprungliga form. Dessa föreningar är faktiskt icke-polära eftersom de saknar ett nettodipolmoment.

Dipolmomentet är det vetenskapliga namnet för hur piezoelektriska material beter sig under stress, vilket innebär en deformation som får positiva och negativa joner i materialet att separeras. Detta dipolmoment kan utnyttjas och omvandlas till en elektrisk ström.

Men utan ett nettodipolmoment, hur lyckades teamet uppnå piezoelektricitet? Jo, de utnyttjade den lösa packningen inom chalcogenid-perovskitstrukturen för att övervinna problemet.

Skalning av teknologin för gröna energitillämpningar

Den senaste studien visar att trots att de är centralsymmetriska blir blyfria chalcogenid-perovskitmaterial polariserbara mycket snabbt när de deformeras. Detta beror på en löst packad enhetscell som har mycket tomrum.

Den betydande volymen av tomrum möjliggör en utökad förflyttning av joner, vilket i sin tur leder till en minskning av symmetrin och resulterar i ett förstärkt förflyttningsmedierat dipolmoment.

Teamet utförde en piezoresponskraftmikroskopi (PFM) på BaZrS3 för att bekräfta materialets piezoelektricitet.

PFM är en funktionell atomkraftmikroskopi (AFM)-modell som har erkänts för den unika information den ger om de elektromechaniska egenskaperna hos olika material på nanometerskala.

Strukturell symmetri i chalcogenid-perovskitmaterialet kan, enligt teamet, lätt brytas under stress, vilket leder till ett förbättrat piezoelektriskt svar. Så, när detta bekräftats, utvecklade teamet kompositer av BaZrS3-partiklar spridda i polykaprolaktat.

Det nya syntetiserade materialet innehåller barium, zirconium och svavel, som sedan användes för att samla in energi från människokroppens rörelser och driva elektrokemiska och elektroniska enheter.

Teamet testade materialets förmåga att generera elektricitet genom att utsätta det för kroppsrörelser som löpning, promenader, fingerknackning och klappar. Den elektricitet som producerades under experimentet visade sig vara tillräcklig för att driva LED-bankar som stavade RPI.

“Vi är entusiastiska och uppmuntrade av våra resultat och deras potential att stödja övergången till grön energi.”

– Nikhil Koratkar, medförfattare till studien

Materialet, enligt honom, omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Enligt Koratkar:

“Ju större den applicerade tryckbelastningen är och ju större yta som trycket appliceras på, desto större blir effekten.”

Den energihämtande filmen som teamet skapade är bara 0,3 millimeter tjock och kan integreras i olika maskiner, enheter och strukturer som byggnader och vägar för att producera elektricitet när de vibrerar, eller när fordon kör över dem.

Tester som genomförts av teamet visar också att teknologin kan vara användbar på en mängd olika sätt, inklusive i en enhet som bärs av cyklister eller löpare och som lyser upp hjälmar eller skyltar för att göra dem mer synliga.

Det sagt är det för närvarande bara ett bevis på konceptet. Teamet hoppas att “så småningom se detta material implementerat i stor skala, där det verkligen kan göra skillnad i energiproduktionen,” sade Koratkar.

I nästa steg kommer forskarna att undersöka hela familjen av chalcogenid-perovskitföreningar för att hitta ett material som visar en kraftfullare piezoelektrisk effekt. För detta kommer teamet att använda artificiell intelligens (AI) och maskininlärning (ML).

“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.”

Den transformerande påverkan av piezoelektricitet

Piezoelektricitet identifierades först av Jacques och Pierre Curie år 1880, och idag används fenomenet i stor utsträckning i praktiska tillämpningar. Dess förmåga att direkt omvandla elektrisk och mekanisk energi gör det mycket attraktivt för tillämpningar som energihämtande enheter.

Ett av de vanligaste exemplen på piezoelektricitet är elektriska tändare. När du trycker på en knapp slår fjäderns hävstång mot piezoelektriska kristaller, och denna mekaniska stress skapar en elektrisk ström som sedan blir en låga för att antända gasen. Du kan hitta exempel på piezoelektricitet överallt i ditt dagliga liv.

Som vi har beskrivit i vår tidigare artikel har piezoelektricitet faktiskt blivit en grundläggande princip som används i modern teknik, från mobiltelefoner och bärbara enheter, dämpningssystem och rengöringslösningar till rymdteknik, sonar, medicinska diagnostiska verktyg och aktuatorer.

Med tanke på dess omfattande användning har flera framsteg skett inom området. Allt började med utvecklingen av den populära piezoelektriska keramiken PZT (blyzirkoniumtitanat) för ungefär ett halvt sekel sedan och sedan Polyvinylidenfluorid (PVDF) år 1964.

Sedan dess har forskare arbetat med att utveckla nya material och teknologier för att förbättra effektiviteten och mångsidigheten hos piezoelektriska enheter. Ett stort fokus har varit att skapa miljövänliga alternativ till blybaserade keramer som PZT på grund av ökande oro för blytoxicitet, som vi såg i den ovan nämnda studien.

Forskare har utforskat material som bariumtitanat (BaTiO₃) och kaliumnatriumniobat (KNN) för detta, vilka erbjuder piezoelektriska egenskaper utan den skadliga miljöpåverkan från bly.

Dessutom har framsteg inom polymerbaserade piezoelektriska material som PVDF och dess kopolymerer möjliggjort deras integration i smarta textilier, sensorer och medicinska implantat.

Piezoelektriska polymerer har faktiskt undersökts omfattande för energihämtning på grund av deras inneboende flexibilitet och följsamhet, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar där enheten måste böjas mycket för att integreras i bärbara enheter.

Bärbar elektronik representerar innovationen av traditionell stel elektronik och erbjuder revolutionerade lösningar inom sjukvård, energi, neurovetenskap, metavers och hållbarhet. Användningen av piezoelektricitet i dessa enheter gör det möjligt för företag att minska behovet av frekvent laddning och batterier, vilket ger användarna bekvämligheten av en portabel enhet tillsammans med förbättrad säkerhet.

Nya utvecklingar inom nanoteknik har också möjliggjort skapandet av nanostrukturerade piezoelektriska material, som erbjuder förbättrad prestanda i minskade storlekar.

Till exempel undersöks kvantprickar, nanotrådar och grafen för deras potential att avsevärt förbättra känsligheten och effektiviteten hos piezoelektriska system, vilket gör dem mycket fördelaktiga i tillämpningar som flexibel elektronik och nästa generations bildteknik.

Alla dessa innovationer inom piezoelektriska material har öppnat nya möjligheter i olika industrier, och i takt med att dessa framsteg fortsätter, förväntas den globala marknaden för piezoelektriska material uppleva betydande tillväxt.

Klicka här för att lära dig hur piezoelektriska kraftomvandlare hjälper till att minska storleken på tryckta kretskort.

En enorm tillväxt framför oss

När det gäller den globala marknaden för piezoelektriska material förväntas den växa från 1,52 miljarder dollar år 2024 till 2,19 miljarder dollar år 2032.

Medan begränsade verksamheter inom viktiga slutanvändningsindustrier som elektronik- och fordonssektorerna kritiskt påverkade efterfrågan på piezoelektriska material, såg COVID-19 en ökning i efterfrågan på utrustning såsom oxymetrar, pyrometrar, elektroniska termometrar och automatiska ventilatorer, som använder piezo-material för att omvandla en energiform till en annan. Detta påverkade sedan efterfrågan på dessa material under krisen, noterade rapporten om piezoelektriska materialmarknaden.

Regionalt förväntas den amerikanska marknaden, i synnerhet, växa betydligt och nå ett uppskattat värde på 248,48 miljarder dollar under de kommande åtta åren, drivet av den ökande produktionen inom elektronik, IT- och telekomsektorerna. Landets omfattande rymdforskningsprogram kommer också att bidra till denna tillväxt.

Samtidigt uppgick storleken på Asien‑Stillahavets marknad till 0,99 miljarder dollar, med en marknadsandel på 68,28 % år 2023. Denna dominans beror på att Asien‑Stillahavsområdet blir ett tillverkningscentrum för elektronik och konsumentvaror, där Kina, Japan, Taiwan, Indien och Sydkorea fokuserar på att expandera sina produktionskapaciteter.

Medan marknaden för piezoelektriska material i Latinamerika är i sin linda, har en ökande efterfrågan observerats i Mellanöstern och Afrika på grund av regionens växande hälso- och elektronikindustri.

När det gäller tillämpning är marknaden för piezoelektriska material segmenterad i sensorer, resonatorer, generatorer & transformatorer, aktuatorer, transduktorer, SONAR, akustiska enheter, motorer och övrigt.

Bland dessa förväntas sensordelen expandera med en betydande årlig tillväxttakt (CAGR) på grund av teknikens tillämpning i flera områden, inklusive konsumentelektronik, tillverkningslinjer och automatiska fordon.

Samtidigt förväntas aktuatorer, som omvandlar elektriska signaler från systemet till mekanisk energi för styrning för att utföra en specifik handling, stå för den största marknadsandelen för piezoelektriska material, drivet av deras tillämpning i robotarmar, precisionsstyrning av industriella bearbetningsverktyg samt broms- och accelerationssystem i fordon.

Konsumentprodukter som mikrovågsugnar, TV-apparater, tvättmaskiner och fjärrstyrda leksaker, som använder piezo-material för att styra och driva dessa produkter, förväntas behålla sin ledande position på den globala marknaden. Bakom dem ligger fordonsindustrin, som förväntas växa med en stabil årlig tillväxttakt.

Företag som använder piezoelektriska teknologier

När det gäller företag som driver detta område har vi USound, vars MEMS-högtalare utnyttjar den piezoelektriska effekten, och Noliac, som utvecklar piezoaktuatorer, generatorer och transformatorer.

Kinetic Ceramics är ytterligare ett företag vars specialiteter inkluderar piezoelektriska aktuatorer, piezoelektriska ventiler, solid-state-pumpar, precisionsbearbetning, intelligenta system och rörelsestyrningssystem.

Amphenol Corporations Piezo Technologies (APH ) specialiserar sig också på piezoelektriska keramiska material och ultraljudstransduktorer. Dess produkter inkluderar även enheter, sammansättningar och system som används inom rymdteknik, försvar, fordonsindustri, transport och civilingenjörskonst.

CTS Corporation (CTS ) tillverkar piezoelektriska produkter inom med-tech, rymdteknik och industriella sektorer. Företaget med ett börsvärde på 1,43 miljarder dollar handlas för närvarande till 47,21 dollar, upp 7,93 % år till datum (YTD). Det har en EPS (TTM) på 1,77 och ett P/E (TTM) på 26,66, samtidigt som det betalar en utdelningsavkastning på 0,34 %.

L3Harris Technologies (LHX )

Detta företag tillhandahåller helhetslösningar som kopplar samman luft-, rymd-, mark-, havs- och cyberdomäner. Det designar också piezoelektriska keramiska former för olika tillämpningar inom militärt sonar och akustik, medicinsk bildbehandling, cancerterapi och energihämtning. L3Harris kan skryta med över 70 års materialvetenskaplig expertis i framtagandet av högpresterande piezoelektriska keramer, inklusive PZT-, PT- och PMN-material för både militära och kommersiella kunder.

Företagets formuleringar av piezoelektriskt keramisk pulver är enhetliga, högpresterande, finkorniga och högdensitet, vilket gör dem lämpliga för ett brett spektrum av användningar, inklusive transduktorer och starkt anpassade material som stödjer cancerbehandling, läkemedelsleverans, bildbehandling och sårvård. Piezoelektriska keramer från L3Harris hämtar energi från tryck eller vibration som annars skulle gå förlorad, vilket hjälper till att minska beroendet av batterier genom att förse trådlösa sensornätverk med kraft.

Vid skrivande stund handlas LHX-aktierna till $248,15, upp 17,82 % i år hittills, vilket ger ett börsvärde på $47 miljarder. Företaget har en EPS (TTM) på 6,25 och ett P/E (TTM) på 39,72 samtidigt som det betalar en utdelningsavkastning på 1,87 %. Medan L3Harris Technologies kommer att offentliggöra sina Q3‑2024‑resultat inom de närmaste dagarna, rapporterade företaget för 2Q24 en omsättning på $4,5 miljarder, en ökning med 13 %, medan dess rörelsemarginal var 9 %.

“Vi levererade ännu ett starkt kvartal med finansiella resultat och förbättrade marginaler, vilket speglar vårt engagemang för operativ excellens och ett obevekligt fokus på genomförande som levererar värde till våra kunder och aktieägare.”

– VD Christopher E. Kubasik

Slutsats

Från gatubelysning som drivs av trafik till golv som kan förse byggnadens belysning med energi till däck som laddar ett fordon, har piezoelektriska material potential att revolutionera den rena energisektorn. Dock är även dessa material inte utan utmaningar, vilket gör utvecklingen av blyfria piezoelektriska material nödvändig.

Dessa nya material, såsom chalcogenid-perovskiter, markerar ett betydande framsteg inom hållbara energihämtningsteknologier. Med deras låga toxicitet, höga stabilitet och förbättrade piezoelektriska svar under stress kan de verkligen förverkliga potentialen hos piezoelektriska material och revolutionera energiproduktionen. Och när forskare fortsätter att utforska dessa nya material med hjälp av AI, kan detta område bana vägen för innovationer inom biomedicinska enheter, infrastruktur och bärbar teknik på ett hållbart sätt.

Klicka här för att lära dig hur framsteg inom piezoelektriska kompositer möjliggör att utnyttja och tolka kinetisk energi.