Hoy en día, varios productos electrónicos que nos rodean, como teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y dispositivos portátiles, son casi todos inseparables de la energía de la batería. Sin embargo, las baterías tienen problemas como una vida útil limitada, una resistencia limitada, cargas repetidas y posibles riesgos para la seguridad. Por lo tanto, las baterías también se han convertido en uno de los factores clave que afectan el rendimiento y la experiencia del usuario de los productos electrónicos modernos.
Con este fin, los científicos han estado desarrollando activamente nuevas soluciones de suministro de energía para deshacerse de las baterías en los productos electrónicos. El autor también ha presentado muchos casos a este respecto anteriormente. A continuación, echemos un vistazo a algunos casos clásicos:
(1) El primer teléfono móvil sin batería del mundo inventado por la Universidad de Washington en Estados Unidos puede obtener varios microvatios de potencia a partir de señales de radio o Luz en el entorno circundante para garantizar llamadas telefónicas normales.
(2) Un equipo de investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson ha creado un robot de origami sin baterías que puede operar de forma inalámbrica a través de campos magnéticos. Aporta energía y control y lanza movimientos repetitivos y complejos.
(3) Un grupo de investigadores de la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Chongqing, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Taiwán desarrollaron un nanogenerador triboeléctrico ligero cortado con papel (TENG), que puede Recoge energía del movimiento del cuerpo humano para alimentar productos electrónicos.
(4) Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan en Estados Unidos han desarrollado un dispositivo flexible compuesto por nanogeneradores de electretos ferroeléctricos (FENG), que permite a los dispositivos electrónicos recolectar energía directamente del movimiento del cuerpo humano.
Reforma
Hoy presentaré un nuevo avance de la investigación científica que permite que los productos electrónicos se deshagan de las baterías.
Recientemente, el MIT y otras instituciones científicas (Instituto Politécnico de Madrid, Laboratorio de Investigación del Ejército de EE.UU., Universidad Carlos III de Madrid, Universidad de Boston, Universidad del Sur de California) desarrollaron el primer dispositivo totalmente flexible, que puede convertir el La energía de las señales WiFi se convierte en energía eléctrica y puede alimentar productos electrónicos.
Un dispositivo que puede convertir ondas electromagnéticas alternas en corriente continua se llama "rectenna". En un artículo publicado en la revista Nature, los investigadores demuestran un nuevo tipo de rectenna.
Tecnología
Las antenas rectificadoras utilizan antenas de radiofrecuencia (RF) flexibles para capturar ondas electromagnéticas con formas de onda alternas (incluidas aquellas que transportan señales WiFi). Luego, la antena se conectó a un nuevo dispositivo hecho de un "semiconductor bidimensional" de sólo unos pocos átomos de espesor. Esta señal de CA se transmite al semiconductor, donde se convierte en un voltaje de CC que puede usarse para alimentar circuitos electrónicos o cargar baterías.
De esta manera, el dispositivo sin batería captura pasivamente la omnipresente señal WiFi y la convierte en energía CC útil. Además, el dispositivo es flexible y puede fabricarse mediante un proceso "rollo a rollo", lo que le permite cubrir áreas muy grandes.
Todas las rectennas dependen de un componente llamado "rectificador", que convierte una señal de entrada de CA en energía de CC. Las rectennas tradicionales utilizan silicio o arseniuro de galio como rectificador. Estos materiales pueden cubrir bandas WiFi, pero lamentablemente son rígidos. Si bien es relativamente barato fabricar dispositivos pequeños con estos materiales, cubrir áreas grandes, como superficies de edificios y paredes, tiene un costo prohibitivo. Los investigadores llevan mucho tiempo intentando resolver estos problemas. Sin embargo, las antenas flexibles reportadas rara vez funcionan a bajas frecuencias y no pueden capturar ni convertir señales en frecuencias de gigahercios. Sin embargo, las señales de telefonía móvil y WiFi más relevantes se encuentran en esta frecuencia.
Para construir su rectificador, los investigadores utilizaron un nuevo material bidimensional llamado "MoS2". Con sólo tres átomos de espesor, es uno de los semiconductores más delgados del mundo. MoS2 se puede utilizar para construir componentes semiconductores flexibles, como procesadores.
Al hacerlo, el equipo aprovechó un comportamiento "extraño" del disulfuro de molibdeno: cuando se exponen a sustancias químicas específicas, los átomos del material se reorganizan, actuando como un interruptor, lo que lleva a una transición de fase de materiales semiconductores a metálicos. . Esta estructura, también conocida como diodo Schottky, se fabrica utilizando el principio de que el metal hace contacto con un semiconductor para formar una "unión semiconductor-metal".
Xu Zhang, el primer autor del artículo y becario postdoctoral en ingeniería eléctrica e informática (que pronto será profesor asistente en la Universidad Carnegie Mellon) dijo: "Al diseñar MoS2 como un semiconductor bidimensional -Unión metálica, construimos diodos Schottky ultrarrápidos de un átomo de espesor que pueden reducir tanto la resistencia en serie como la capacitancia parásita ”
En los dispositivos electrónicos, la capacitancia parásita es inevitable. En este caso, un material específico almacena una pequeña cantidad de carga, lo que ralentiza el circuito. Por lo tanto, cuanto menor sea la capacitancia parásita, más rápido será el rectificador y mayor será la frecuencia de operación. Los investigadores diseñaron diodos Schottky con capacitancia parásita un orden de magnitud menor que los que se encuentran en los rectificadores flexibles de última generación actuales. Por lo tanto, la velocidad de conversión de señal de este diodo es más rápida y puede recopilar y convertir señales inalámbricas de 10 GHz.
Este diseño dará como resultado un dispositivo totalmente flexible que es lo suficientemente rápido como para cubrir la mayoría de las bandas de radiofrecuencia de los dispositivos electrónicos que utilizamos todos los días, como WiFi, Bluetooth, telefonía celular LTE, etc., dijo Zhang. ”
El trabajo presentado por los investigadores proporciona un modelo para otros dispositivos flexibles que convierten WiFi en electricidad. Estos dispositivos flexibles tienen un rendimiento y una eficiencia adecuados. Según la potencia de entrada de la señal de entrada WiFi, la eficiencia de salida máxima del dispositivo actual es de alrededor del 40%. En niveles de potencia WiFi típicos, los rectificadores MoS2 tienen aproximadamente un 30% de eficiencia energética. En comparación, las mejores rectennas de silicio y arseniuro de galio (hechas de los materiales más caros y rígidos, silicio y arseniuro de galio) tienen una eficiencia de casi entre un 50 y un 60 por ciento.
Valor
dijo Tomás Palacios, coautor del artículo y director del Centro MIT/MTL para la Investigación de Dispositivos de Grafeno y Sistemas 2D: “¿Qué pasaría si desarrolláramos un sistema electrónico que podría envolver un puente, o cubrir una carretera entera, o cubrir una pared de oficina, y llevar inteligencia electrónica a cada objeto que nos rodea. ¿Cómo se puede alimentar esa electrónica? Proponemos una nueva forma de alimentar estos futuros sistemas electrónicos, aprovechando la energía. energía de WiFi de una manera simple e integrada en un área grande, y llevando inteligencia a cada objeto que nos rodea ”
Las primeras aplicaciones para tales rectennas propuestas por los científicos incluyen alimentar dispositivos flexibles y portátiles, dispositivos médicos e "Internet". de las Cosas". Por ejemplo, los teléfonos inteligentes flexibles serán un nuevo mercado de moda para las principales empresas de tecnología. En los experimentos, cuando los investigadores colocaron el dispositivo en un entorno con niveles típicos de potencia de señal WiFi (alrededor de 150 microvatios), produjo 40 microvatios de potencia. Esa es suficiente energía para iluminar una simple pantalla móvil o alimentar un chip de silicio.
Jesús Grajal, coautor del artículo e investigador de la Universidad Politécnica de Madrid, afirma que otra posible solución es potenciar la comunicación de datos de los dispositivos médicos implantados. Por ejemplo, los investigadores están comenzando a desarrollar píldoras que los pacientes puedan tragar y enviar datos de salud a las computadoras para su diagnóstico.
Lo ideal es no utilizar baterías para alimentar estos sistemas, porque si la batería pierde litio, el paciente podría morir, dijo Grajal. . La energía y la comunicación de datos con computadoras externas tienen ventajas obvias".
Actualmente, el equipo planea construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia.
Datos de referencia
1 http://news.MIT.edu/2019/convert-wi-fi-signal-electricity-0128
2Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Shen Pinchun, Ling, Ahmed Zubair, Wang Han, Madan Dube, Kong Jing, Mildred Dresselhaus y Thomas ·Palacios. Rectina de silicio flexible que admite MoS2 bidimensional para la recolección de energía inalámbrica en la banda Wi-Fi. Naturaleza, 2019 DOI:10.1038/s 41586-019-0892-1