基于高效热电堆波器件的可持续电源

2018-05-15

em来自MIT的工程师已经开发出了一种用于发电的替代系统,该系统利用热量并且不使用金属或有毒物质。 / em

从智能手机和电脑到电动汽车等现代生活中无处不在的设备所使用的电池大多由诸如锂之类的有毒材料制成,难以处理且全球供应有限。现在,麻省理工学院的研究人员已经提出了一种可供选择的发电系统,该系统利用热量,不使用金属或有毒物质。

这种新方法是基于麻省理工学院化学工程专业的碳P杜布斯教授迈克尔斯特拉诺和他的同事2010年宣布的一项发现:一种由称为碳纳米管的小碳圆柱体制成的电线可以产生电流当它从一端逐渐加热到另一端时,例如,用可燃材料涂覆,然后点燃一端,让它像保险丝一样燃烧。

这一发现代表了以前未知的现象,但当时的实验在简单的实验室环境中仅产生极少量的电流。现在,Strano和他的团队已经将这个过程的效率提高了一千倍以上,并且生产出的设备可以在与现今最好的电池可以生产的产品相同的场地内输出功率,即磅,磅。然而,研究人员警告说,将这一概念发展成可商业化的产品可能需要几年的时间。

新的研究结果发表在“能源与环境科学”杂志,Strano的一篇论文,博士生Sayalee Mahajan博士15和Albert Liu以及其他5人。

捕捉波

斯特拉诺说:“实际上这种现象还没有被研究过。”他的团队在项目中的大部分工作都集中在不仅提高流程的效率,而且还“发展这些工作的理论。 “他说,最新的实验表明,理论和实验结果之间有很好的一致性,为底层机制提供了有力的证据。

基本上,当热脉冲推动电子通过碳纳米管束时,这种效应就会产生,像一群冲浪者一样携带电子。

有助于验证理论的一个关键发现是,有时候热浪会产生单一电压,但有时它会同时产生两个不同的电压区域。 “我们的数学模型可以描述为什么会出现这种情况,”斯特拉诺说,而替代理论无法解释这一点。根据团队的理论,热力波“分成两个不同的组成部分”,有时相互强化,有时相互抵消。

他说,效率的提高“将科技从实验室的好奇心带到了其他便携式能源技术的距离之内,如锂离子电池或燃料电池。该团队报告说,在最新版本中,该设备将热能转化为电能的效率超过1%,这比之前报道的“效率高出数量级”。事实上,能效约为10,000倍大于原始发现报告中报告的数据。

“在效率方面,锂离子技术需要25年时间才能达到目标”,Strano指出,而这项技术的开发时间只有五分之一左右。如果材料暴露在露天,锂是非常易燃的 - 与新设备中使用的燃料不同,后者更安​​全,也是可再生资源。

一勺糖

尽管最初的实验使用了潜在的爆炸性物质来产生推动反应的热量脉冲,但新作品使用了更为良性的燃料:蔗糖,也就是普通的表糖。但是团队认为其他燃烧材料有可能产生更高的效率。与其他特定化学配方的技术不同,基于碳纳米管的动力系统只是在热量下工作,所以为了更好地开发热源,他们可以简单地换成系统来提高性能,Strano说。

该设备已经足够强大,足以证明它可以为简单的电子设备供电,例如LED灯。而不像电池如果长期储存会逐渐失去电力,新系统应该具有几乎无限期的保质期,Liu说。这可能使其适用于诸如深空探测器等多年使用的深空探测器,因为它行进到遥远的行星,然后在到达目的地时需要快速突发的功率来发回数据。

此外,新系统可用于日益增长的小型可穿戴设备中,具有很高的可扩展性。 Mahajan表示,电池和燃料电池的局限性使其很难将其缩小到很小的尺寸,而该系统“可以缩小到非常小的范围。这个规模是独一无二的。“

澳大利亚皇家墨尔本理工大学电子与计算机工程教授Kourosh Kalantar-Zadeh说,这项工作是“提高热电波基系统能量和寿命的重要证明”,他并未参与此项研究。他说:“我相信我们离热电波器件可能达到的上限还有很远的距离。” “但是,这一步使该技术对实际应用更具吸引力。”

他补充说,通过这项技术,“我们可以获得惊人的电力突发,这是电池无法实现的。例如,热电波系统可用于驱动微型和纳米电信集线器中的长距离传输单元。“

该团队还包括Anton Cottrill,Yuichiro Kunai,David Bender,Javier Castillo Jr.和Stephen Gibbs。这项工作得到了空军科学研究办公室和海军研究办公室的支持。

出版物:Sayalee G. Mahajan等人,“基于高效热电波器件的可持续能源”,Energy Environ。科学,2016,DOI:10.1039 / C5EE03651H

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler