エネルギー変換はどこでも起こります。ソーラー パネルは太陽光を電気に変換し、車のエンジンはガソリンの化学エネルギーを運動エネルギーに変換して車両を加速させ、ATP 加水分解は ATP の化学エネルギーを筋肉に供給する機械エネルギーに変換します。自動車や産業プロセスからの排気ガスなどの熱エネルギーは、熱電、熱電子、焦電などの特殊な材料を使用して有用な電気エネルギーに変換できます。
焦電
特定の材料には、その結晶構造により、分極と呼ばれる電場が組み込まれています。分極は温度によって変化し、極性結晶を加熱または冷却することによって電気が生成される焦電性につながります。一般に、分極は温度の上昇に応じて減少します。セラミックス、ポリマー、さらには生物材料でさえ、焦電性を示すことができます。この効果は、人から放出された熱が焦電の電気的応答をトリガーする動作検出器で一般的に使用されます。この現象を示すエキゾチックな材料システムの 1 つは、分極が 増加 する可能性がある反強誘電体です。 減少ではなく 暖房付き。反強誘電性セラミック材料は通常、エネルギー貯蔵用途に使用されます。
この作業では、反強誘電性ランタン ドープ ジルコン酸チタン酸鉛薄膜の焦電係数を測定し、焦電係数が正と負の領域を確立します。モデリングと補助実験により、双方向応答の物理的起源が示されます。研究者は、反強誘電体の正の焦電応答は、焦電性に通常関連する温度による分極変化ではなく、材料の電子特性の温度依存性に由来することを発見しました.
エネルギー変換
エネルギー変換は、温度と電圧のプロファイルが交互に焦電コンデンサに作用するときに達成され、エンジンの熱力学に非常によく似ています (図 1)。エンジンの例えを続けると、フィルムにかかる電圧は、エンジン内のガスの圧力に相当します。 1980 年代以降、「エンジンとしてのパイロエレクトリック」という考え方がこの分野のイノベーションを推進してきました。このプロセスの効率は、温度、焦電特性、または印加電圧を上げることによって高めることができます。
双方向の焦電係数を持つ反強誘電体は、焦電「エンジン」を操作する興味深い方法を提供します。反強誘電体を通常の焦電体と組み合わせることで、サイクルを実行しながら電荷を往復させることができます (図 2)。電界は圧力に相当するため、これは対向するピストンが互いに駆動し合う V 型 8 気筒エンジンに似ています。これらのデバイスはコンデンサであるため、インダクタと接続すると自己共振します。
双方向の焦電係数により、通常の焦電だけでは不可能なエネルギー変換器の設計が可能になります。従来のレジームと反強誘電性のレジームの両方が単一のデバイスで実現される場合、2 つのサイクルが連携して動作し、電力と効率が向上します。この研究では、反強誘電体を追加することで、出力が 30% 増加し、複合密度が 3 W/cm に達します。実用的な焦電エネルギー変換の実現に向けて、さらなる作業が必要です。
今後の研究
焦電エネルギー変換は、工業プロセス、発電、その他の熱源から排出される低温 (<200 °C) の熱を変換するための非常に魅力的な方法です。また、数キロメートル離れた場所からレーザービームを熱源とするワイヤレス電力伝送の技術として、米陸軍によっても検討されています。焦電材料とデバイスの進歩により、これらの省エネ技術と電力共有技術が実現する可能性があります。
これらの調査結果は、最近 Journal of Materials Chemistry C に掲載された「エネルギー変換のための反強誘電性薄膜における逆および従来の焦電性の組み合わせ」というタイトルの記事で説明されています。 この作業は、コネチカット大学、メリーランド大学、米国海軍士官学校を含む米国陸軍研究所が率いるチームによって実施されました。
