Български учени с конкурентна технология на батериите

Слеващото основно предизвикатество, което е и основен проблем при този вид системи, е че количеството "уловена" енергия е твърде малко за захранване на устройства с по-висока консумация. Новите екологични стандарти за използване на безоловни материали (Lead-free materials) допълнитено затрудняват изграждането на подобни устрйства. Това е така поради факта, че техните естествени възможности за преобразуване на механичната енергия в електрическа, произтичащи от природата на кристалната решетка, са заначително по-слаби (притежеават по-слаба способност за поляризация). Това налага усъвършенстване на системите по отношение на количеството генерирана (уловена) енергия чрез различни подходи.

Първият подход, използван от екипа, бе избирането на пиезоелектричен материал, който да отговаря на съвременните екологични стандарти и същевременно с това да питежава добри пиезоелектрични свойства. Възможностите за съвместимост с конвенционалното електронно производство при технологичното изграждане на пиезоелектричния слой, също бяха взети под внимание. Избраният материал се нарича калиев ниобат (KNbO3) и е от групата на модерните, безоловни материали, характеризиращи се с голяма асиметрия на градивните клетки на кристалната решетка, което е предпоставка за силна пиезоелектрична реакция дори при слабо механично натоварване. Едно от основните постижения на екипа бе получаването на нанопокрития от материала, хиляда пъти по-тънки от човешкия косъм, върху гъвкаво фолио. По този начин се придава компактност и възможност такова фолио да се прикрепи към човешкото тяло и да се активира периодично от движението на човек, като така произвежда макар и малко количество електроенергия.

Вторият подход за усъвършенстване на тези системи е чрез повишаване на добива на енергия, който се осъществява чрез наноструктуриране на избрания материал. Този подход се прилага с цел реализация на определена вътрешно структурна подредба на молекулите на материала. Начина на подреждане, може да бъде наблюдаван само в наноразмерната скала [nm] – а от там и името наноструктуриране. Тази подредба подобрява способностите на пиезоматериалите за генериране на електричество.

Други повишаващи добива фактори при метода са увеличаването на развитата функционална площ (при един и същ вътрешен обем се получава многократно увеличена работна площ). Това е основно свойсто при всички наноструктурирани материали. При постигане на определени геометрични структури, например нановлакна (в наноразмерната скала), могат да се получат области, които концентрират маханично приложеното натоварване, което допълнително подобрява пиезоектричните параметри на структурата. Вследствие на тези качества на наноструктурирането, пиезоелектричният материал беше структуриран, чрез плазмено отлагане в пореста матрица от алуминиев оксид, протичащо в среда на висок вакуум. Тази матрица се изгражда чрез анодиране на алуминий в различни киселинни разтвори и първоначално е била разработена от екипи на катедра "Микроелектроника" под ръководството на проф. Валентин Видеков, съвместно с доц. Боряна Цанева от катедра Химия (ТУ-София). Тя притежава пореста структура, като геометричните параметри на порите се определят от режимите на тяхното формиране. В последстви, порите биват запълнени с пиезоелектричния материал като той изцяло копира тяхната структура. По този начин се изграждат пиезоелектрични наноструктурирани влакна.

При прилагане на механично натоварване от няколко десетки грама върху структурите от нановлакна, те генерираха електрически сигнал до 2,3 пъти по-силен спрямо неструктуриран пиезоелектричен материал със същия обем. За да се направи правилно сравниение, механичната деформация беше еднаква и при двата образеца. Това показва, че този вид вид технология значително повишава добива на енергия и притежава потенциал за внедряване в реални устройства.

Бъдещата работа по дисертационния труд и втори етап на научния проект, ще бъде насочена към разработване на нови подходи за запълване на нанопорите с материали на органична основа (пиезомастила), с цел подобряване на биосъвместимостта на структурите.

Източник: Actualno.com