Nuevos acumuladores de energía basados en composites magnetoeléctricos
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 sociedad actual demanda el uso de dispositivos de bajo consumo energético cada vez más pequeños y útiles. Los composites magnetoeléctricos, capaces de inducir la tensión eléctrica bajo un campo magnético, pueden ser utilizados para alimentar nuevos sistemas de bajo consumo mediante el acoplamiento entre propiedades magnéticas y eléctricas.
Los composites magnetoeléctricos han evolucionado notablemente en los últimos años en acumuladores de energía. Estos composites, en general, están formados por material magnetostrictivo y material piezoeléctrico (materiales que se deforman bajo un campo magnético y materiales que inducen la tensión eléctrica al sufrir una deformación, respectivamente). Por tanto, al aplicar un campo magnético sobre estos composites, el componente magnetostrictivo se deforma. Esta deformación se transmite al componente piezoeléctrico induciendo la tensión eléctrica. Este efecto se denomina efecto magnetoeléctrico y se utiliza en muchas aplicaciones [1].
Los componentes magnetostrictivos utilizados en los composites magnetoeléctricos son aleaciones metálicas en forma de chapa fabricadas con hierro y/o cobalto. Como componentes piezoeléctricos se suele emplear STP cerámico en forma de película o polímero PVDF. Aunque el STP tenga una mejor respuesta piezoeléctrica, es un material muy frágil y puede causar problemas en algunas aplicaciones. El polímero PVDF presenta una respuesta piezoeléctrica más baja, pero más adaptable y con un mejor comportamiento en aplicaciones prácticas.
En los composites magnetoeléctricos se obtiene la señal más alta inducida alrededor de la frecuencia de resonancia del composite. La frecuencia de resonancia es inversamente proporcional a la longitud del componente magnetostricativo. Por tanto, cuanto más largo sea el composite, menor será la frecuencia de resonancia.
Composites magnetoeléctricos como acumuladores de energía
La fabricación de composites magnetoeléctricos requiere una cierta combinación de materiales magnetostrictivos y piezoeléctricos. Para seleccionar los materiales más adecuados para su fabricación, se deben analizar las propiedades de cada elemento. De cara a los materiales magnetostrictivos, se suelen utilizar aleaciones del tipo FeCoSiB, entre otras, debido a sus excelentes propiedades magnéticas. Como material piezoeléctrico, una opción apropiada es el polímero piezoeléctrico PVDF, que presenta la respuesta piezoeléctrica más alta entre los polímeros piezoeléctricos. Para acoplar las propiedades magnetostrictivas y piezoeléctricas, lo habitual es utilizar una resina epoxi. Aprovechando este epoxi, se fabrica un composite en forma de sándwich con dos placas magnetostrictivas pegadas a ambos lados de una película PVDF de la misma longitud.
Para obtener la potencia proporcionada por el 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, por ejemplo, es necesario medir en primer lugar la frecuencia de resonancia de este composite, punto en el que se encuentra la respuesta magnetoeléctrica más alta del composite. En este composite concreto, la frecuencia de resonancia se encuentra a 50 kHz. Por tanto, la utilización a esta frecuencia de la señal eléctrica alterna inducida en el composite requiere que la tensión alterna se convierta en tensión directa, para lo cual la señal inducida debe pasar por un circuito de multiplicación de tensión [2]. A partir de esta tensión directa, la potencia proporcionada por el composite magnetoeléctrico puede calcularse en función de la resistencia acoplada en el circuito.
La potencia máxima obtenida del circuito es de 11,6 µW para una resistencia de 220 kiloohmios. Este valor es totalmente comparable con otros acumuladores de energía que aparecen en la bibliografía, donde se han medido potencias similares [3] utilizando STP y materiales piezoeléctricos (mejor respuesta piezoeléctrica).
Sin embargo, la utilización de acumuladores de energía en la vida cotidiana requiere la sustitución de los generadores utilizados en los laboratorios por los recursos que el entorno nos ofrece. Estos recursos, por supuesto, deben cumplir unos requisitos. Por ejemplo, deben crear un campo magnético cuya frecuencia debe estar situada en un rango determinado (a la frecuencia de resonancia del composite correspondiente) para inducir una tensión suficiente en el composite magnetoeléctrico.
Teniendo en cuenta la frecuencia de resonancia del composite magnetoeléctrico 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, se podrían utilizar como generadores placas de inducción, ordenadores o pantallas inteligentes, entre otros. La utilización de composites magnetoeléctricos de diferentes tamaños o composiciones alteran las frecuencias de resonancia, por lo que habría que buscar fuentes electromagnéticas que funcionen en otras frecuencias para obtener la máxima potencia de los composites.
Influencia del tamaño en la potencia
Como se ha mencionado en la introducción, el tamaño de los dispositivos es tan importante como la utilidad. Fabricar dispositivos cada vez más pequeños es uno de los objetivos de la industria y de la sociedad actual. Por ello, en el caso de los composites magnetoeléctricos también es necesario analizar la influencia de la reducción de dispositivos en la potencia suministrada. En el caso del composite magnetoeléctrico 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, los sistemas de 1 y 0,5 cm proporcionan potencias de 0,28 y 0,06 ?W, respectivamente. Por tanto, si se desea obtener energía a partir de composites magnetoeléctricos de menor tamaño, hay que tener en cuenta que proporcionarán una potencia mucho menor, y dependiendo de la aplicación habrá que decidir si es suficiente o no.
Aplicaciones en nuevas tecnologías
Como se puede observar, estos nuevos composites magnetoeléctricos son capaces de alcanzar una potencia de unos microvatios. Esta potencia, aunque parezca relativamente baja, puede servir para su uso en nuevas tecnologías. Por ejemplo, los marcapasos que se colocan en el cuerpo para controlar el ritmo del corazón necesitan 10 ?W para funcionar. La red de sensores inalámbricos utiliza una potencia similar para monitorizar la temperatura, controlar la contaminación química en las ciudades o la presión de los coches [6]. Las redes de comunicaciones inalámbricas se utilizan en muchas otras aplicaciones de bajo consumo. Por ejemplo, a menudo los dispositivos que se ubican en el cuerpo utilizan este tipo de redes para comunicarse entre sí (conocida en inglés con las letras WBAN).
Además de las comunicaciones, la energía generada por los composites magnetoeléctricos puede ser utilizada en otros campos. Esta energía también puede servir para sustituir las baterías de nuestro móvil o de otros dispositivos pequeños. De hecho, se han empezado a fabricar móviles sin batería [7]. Este tipo de móviles toma energía de las señales de luz o radio del entorno.
Se pone de manifiesto, por tanto, que las nuevas tecnologías del futuro requieren de tipos de energía de bajo consumo, fáciles de conseguir e inalámbricas. En este recorrido se espera que los composites magnetoeléctricos tengan una influencia importante en la investigación que se está llevando a cabo sobre este tipo de materiales nuevos. Estos dispositivos, además de obtener energía del entorno, son capaces de generar la potencia necesaria para alimentar pequeños dispositivos. ¡Nuevos acumuladores de energía para nuevas tecnologías!
Bibliografía
Trabajo presentado a los premios CAF-Elhuyar.
