壓電能量收集器有望成為電池的替代品

標準電池的問題

據麥姆斯咨詢介紹，傳感器功耗和尺寸的大幅降低引起了對可用于補充或替代電池的電源廣泛研究。由于電池在使用前必須充電，因此人們一直不贊成使用電池。同樣，分布式網絡傳感器和數據收集組件需要集中式能源才能運行。在少數應用中，電池充電或更換可能很昂貴甚至不可行，例如用于偏遠地區結構健康監測的傳感器或局部地區的濕度或溫度傳感器。在大規模傳感器網絡以及危險、廣闊的安裝地形中，更換電池可能是一個耗時且昂貴的工程。大都市中的嵌入式傳感器網絡就是一個例子。

替代選擇

理性地說，在這些情況下，重點是建造能夠將現場可用的任何能源轉換為電能的現場發電機。最近，低功耗超大規模集成電路領域的發展，推動了以納瓦到微瓦功率運行的超低功耗集成電路的創建。這種規模化發展為芯片級能量收集技術鋪平了道路，消除了對化學電池或微傳感器復雜布線的需求，為無電池的自供能傳感器和網絡設備開發奠定了基礎。

標準電池的替代方法是利用電路周圍區域的剩余能源。剩余能源由工業機械、人類活動、汽車、建筑和環境資源產生，所有這些都可用于收集少量能量，而不影響能源本身。此外，能量收集還可以為不適合使用電池的惡劣氣候環境提供解決方案，例如溫度高于60°C的環境。近年來，已經開發了許多從微米到納米尺度的能量收集系統，包括太陽能、電磁、熱電、電容和壓電。

壓電換能器

電磁、壓電和靜電換能器都可以將機械能轉化為電能。然而，由于壓電換能器具有較高的能量密度，與其它兩種換能器相比，壓電換能器被認為是更理想的選擇。與靜電換能器相比，壓電換能器具有許多優點：

1. 即使薄膜厚度減小，壓電材料的能量密度也保持較高水平，從而實現設備的小型化。

2. 壓電換能器在低電壓下運行。

3. 機械和電氣部件的連接增加能量收集的可能性。

4. 易于創建高頻、溫度穩定的諧振系統。

壓電能量發生器的基本輸入輸出原理（來源：Arveni）

壓電材料類型

“壓電材料”是指當施加機械應力時能夠產生電荷的一類固體材料。一般來說，它們分為無機或有機兩類。壓電陶瓷和壓電單晶是目前最常用的無機壓電材料。有機壓電材料主要包括聚偏氟乙烯等聚合物。某些有機納米結構，如納米線、納米管和納米顆粒也被觀察到具有壓電活性。

除了上述兩種材料分類之外，具有高壓電常數的納米結構也被用于納米級的能量收集。對于大規模的能量收集，壓電器件的材料多數是壓電陶瓷，而壓電聚合物由于重量輕、體積小而得到快速發展。此外，壓電單晶比壓電陶瓷具有更小的壓電常數和介電常數。相比之下，盡管壓電聚合物具有低密度和低阻抗，但其應變常數和壓電常數較小。與上述兩種材料相比，壓電陶瓷具有以下優點：

1. 更大的壓電常數和介電常數。

2. 更高的形狀延展性。

3. 材料成分容易調整，擴大了材料的應用前景。

性能增強

一個顯著優勢。目前已經開發了許多制造工藝來將復雜的壓電材料結合到能量收集器中，從而不斷提高其輸出性能。振動能量收集器是利用了壓電材料在施加外部振動和機械刺激時產生電場的能力。另一方面，環境振動源的加速度幅值和頻率范圍通常低于壓電能量收集器的工作模式。此外，由于輸入電源、工作帶寬和輸出性能的限制，大多數基于振動的壓電能量收集器系統輸出的功率都非常小。因此，提高性能和擴大工作帶寬已成為兩個關鍵且緊迫的研究重點。先進的方法對于優化其性能和擴大有效的工作頻率范圍是必要的。

結語

總體而言，隨著物聯網（IoT）的快速發展，壓電能量收集器為智能家居、智慧城市、智慧健康、智能交通和智慧農業等應用的實施和推進帶來了許多好處和前景。壓電能量收集器是開發新型自導向自供電終端節點的重要且有前景的解決方案，這種終端節點能夠在不需要電池充電的情況下運行更長的時間。此外，它還可以通過大大延遲電池更換時間來降低成本，這些能量收集技術可以提高所有物聯網系統的韌性。