Nous acumuladors d'energia basats en composites magnetoelèctrics
2018/11/30 Andoni Lasheras Aransay - Euskal Herriko Unibertsitateko irakasle atxikia Fisika Aplikatua I Sailean | Gutiérrez Etxebarria, Jon - Euskal Herriko Unibertsitateko irakaslea Elektrizitatea eta Elektronika Sailean Iturria: Elhuyar aldizkaria
La societat actual demanda l'ús de dispositius de baix consum energètic cada vegada més petits i útils. Els composites magnetoelèctrics, capaços d'induir la tensió elèctrica sota un camp magnètic, poden ser utilitzats per a alimentar nous sistemes de baix consum mitjançant l'acoblament entre propietats magnètiques i elèctriques.
Els composites magnetoelèctrics han evolucionat notablement en els últims anys en acumuladors d'energia. Aquests composites, en general, estan formats per material magnetostrictivo i material piezoelèctric (materials que es deformen sota un camp magnètic i materials que indueixen la tensió elèctrica en sofrir una deformació, respectivament). Per tant, en aplicar un camp magnètic sobre aquests composites, el component magnetostrictivo es deforma. Aquesta deformació es transmet al component piezoelèctric induint la tensió elèctrica. Aquest efecte es denomina efecte magnetoelèctric i s'utilitza en moltes aplicacions [1].
Els components magnetostrictivos utilitzats en els composites magnetoelèctrics són aliatges metàl·lics en forma de xapa fabricades amb ferro i/o cobalt. Com a components piezoelèctrics se sol emprar STP ceràmic en forma de pel·lícula o polímer PVDF. Encara que l'STP tingui una millor resposta piezoelèctrica, és un material molt fràgil i pot causar problemes en algunes aplicacions. El polímer PVDF presenta una resposta piezoelèctrica més baixa, però més adaptable i amb un millor comportament en aplicacions pràctiques.
En els composites magnetoelèctrics s'obté el senyal més alt induïda al voltant de la freqüència de ressonància del composite. La freqüència de ressonància és inversament proporcional a la longitud del component magnetostricativo. Per tant, com més llarg sigui el composite, menor serà la freqüència de ressonància.
Composites magnetoelèctrics com a acumuladors d'energia
La fabricació de composites magnetoelèctrics requereix una certa combinació de materials magnetostrictivos i piezoelèctrics. Per a seleccionar els materials més adequats per a la seva fabricació, s'han d'analitzar les propietats de cada element. De cara als materials magnetostrictivos, se solen utilitzar aliatges del tipus FeCoSiB, entre altres, a causa de les seves excel·lents propietats magnètiques. Com a material piezoelèctric, una opció apropiada és el polímer piezoelèctric PVDF, que presenta la resposta piezoelèctrica més alta entre els polímers piezoelèctrics. Per a acoblar les propietats magnetostrictivas i piezoelèctriques, l'habitual és utilitzar una resina epoxi. Aprofitant aquest epoxi, es fabrica un composite en forma de sandvitx amb dues plaques magnetostrictivas pegades a banda i banda d'una pel·lícula PVDF de la mateixa longitud.
Per a obtenir la potència proporcionada pel composite Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 de 3 cm de longitud, per exemple, és necessari mesurar en primer lloc la freqüència de ressonància d'aquest composite, punt en el qual es troba la resposta magnetoelèctrica més alta del composite. En aquest composite concret, la freqüència de ressonància es troba a 50 kHz. Per tant, la utilització a aquesta freqüència del senyal elèctric altern induïda en el composite requereix que la tensió alterna es converteixi en tensió directa, per a això el senyal induït ha de passar per un circuit de multiplicació de tensió [2]. A partir d'aquesta tensió directa, la potència proporcionada pel composite magnetoelèctric pot calcular-se en funció de la resistència acoblada en el circuit.
La potència màxima obtinguda del circuit és de 11,6 µW per a una resistència de 220 kiloohmios. Aquest valor és totalment comparable amb altres acumuladors d'energia que apareixen en la bibliografia, on s'han mesurat potències similars [3] utilitzant STP i materials piezoelèctrics (millor resposta piezoelèctrica).
No obstant això, la utilització d'acumuladors d'energia en la vida quotidiana requereix la substitució dels generadors utilitzats en els laboratoris pels recursos que l'entorn ens ofereix. Aquests recursos, per descomptat, han de complir uns requisits. Per exemple, han de crear un camp magnètic la freqüència del qual ha d'estar situada en un rang determinat (a la freqüència de ressonància del composite corresponent) per a induir una tensió suficient en el composite magnetoelèctric.
Tenint en compte la freqüència de ressonància del composite magnetoelèctric Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co1 6.4 Si 10.8 B 11.2, es podrien utilitzar com a generadors plaques d'inducció, ordinadors o pantalles intel·ligents, entre altres. La utilització de composites magnetoelèctrics de diferents grandàries o composicions alteren les freqüències de ressonància, per la qual cosa caldria buscar fonts electromagnètiques que funcionin en altres freqüències per a obtenir la màxima potència dels composites.
Influència de la grandària en la potència
Com s'ha esmentat en la introducció, la grandària dels dispositius és tan important com la utilitat. Fabricar dispositius cada vegada més petits és un dels objectius de la indústria i de la societat actual. Per això, en el cas dels composites magnetoelèctrics també és necessari analitzar la influència de la reducció de dispositius en la potència subministrada. En el cas del composite magnetoelèctric Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2, els sistemes d'1 i 0,5 cm proporcionen potències de 0,28 i 0,06 ?W, respectivament. Per tant, si es desitja obtenir energia a partir de composites magnetoelèctrics de menor grandària, cal tenir en compte que proporcionaran una potència molt menor, i depenent de l'aplicació caldrà decidir si és suficient o no.
Aplicacions en noves tecnologies
Com es pot observar, aquests nous composites magnetoelèctrics són capaços d'aconseguir una potència d'uns microvatios. Aquesta potència, encara que sembli relativament baixa, pot servir per al seu ús en noves tecnologies. Per exemple, els marcapassos que es col·loquen en el cos per a controlar el ritme del cor necessiten 10 ?W per a funcionar. La xarxa de sensors sense fils utilitza una potència similar per a monitorar la temperatura, controlar la contaminació química a les ciutats o la pressió dels cotxes [6]. Les xarxes de comunicacions sense fils s'utilitzen en moltes altres aplicacions de baix consum. Per exemple, sovint els dispositius que se situen en el cos utilitzen aquest tipus de xarxes per a comunicar-se entre si (coneguda en anglès amb les lletres WBAN).
A més de les comunicacions, l'energia generada pels composites magnetoelèctrics pot ser utilitzada en altres camps. Aquesta energia també pot servir per a substituir les bateries del nostre mòbil o d'altres dispositius petits. De fet, s'han començat a fabricar mòbils sense bateria [7]. Aquest tipus de mòbils pren energia dels senyals de llum o ràdio de l'entorn.
Es posa de manifest, per tant, que les noves tecnologies del futur requereixen de tipus d'energia de baix consum, fàcils d'aconseguir i sense fils. En aquest recorregut s'espera que els composites magnetoelèctrics tinguin una influència important en la recerca que s'està duent a terme sobre aquest tipus de materials nous. Aquests dispositius, a més d'obtenir energia de l'entorn, són capaços de generar la potència necessària per a alimentar petits dispositius. Nous acumuladors d'energia per a noves tecnologies!
Bibliografia
Treball presentat als premis CAF-Elhuyar.
