对能源未来移动电子设备

拉梅什科斯拉¹任努卡。乔杜里,,¹Nayan K女子¹,Dinesh钱德拉²Ajeet Kumar Yadawa³

相关电子研究基金会、诺伊达,印度
js技术教育学院、诺伊达,印度
Essjay爱立信分公司,呸,210 Patparganj,印度德里

文摘

为了满足日益增长的需求的便携式电子产品的电源,研究人员花了大量注意力转移到新的环境能量来源。运行设备长时间运行和待机时间,我们需要一些外部能源充电的电池。手机电池通常收取的常规方法即下台其次是整流和滤波机制。这个过程会导致不同类型的损失导致低效利用的力量。论述了发展发生在电池领域,能量收获和充电技术来创建高效的电力系统便携式和移动设备。介绍一些自然的环境能源环境中可用于充电。此外,特殊类型的电池材料,以增加其发电能力进行了讨论。

关键字

电池、电化学过程,能量收获,便携式设备,石墨烯,锂离子电池,压电传感器,核磁共振,移动,碳纳米管,纳米材料压电、有机激进的电池,电源转换、固态电解质interphace (SEI),如果阳极,太阳能,无线电力传输(WPT)。

介绍

在过去十年,我们已经看到电子设备的体积收缩。由于网络连接我们世界的知识在我们的口袋里。基于触摸平板电脑甚至使计算直观够两岁。一切似乎都改善好,但是一个很大的例外,电池。智能手机时钟速度测量在GHz和屏幕都很密集,我们甚至不能看到像素无处不在,电池寿命仍在几个小时而不是在几天。地平线上的妥协发展承诺将电池从黑暗时代甚至可能持续一个周4 g服务触手可及。

大量的能源消耗和电子设备流动性的增加迫使我们新能源的需求。摘要在这些领域发展的以下方面:

(1)电池技术

(2)能量收集技术

(3)充电技术

这些技术和技术帮助我们开发新的高效电池,自我发电电子产品和充电器。

LITREATURE审查

在1960年代戈登·摩尔预测——“晶体管集成在一个芯片的数量将大约每24个月翻一番”[1]。这也是提供两次处理能力至少每两年但发展电池,甚至没有过去十年翻倍。所以有必要的其他能源和长时间运行的电池因为不断增加的应用程序在手机。尽管有科技进步在电池技术多年来,但值得注意的结果还没有出现。

介绍了一些新开发的阴极和阳极材料,帮助改善电池的容量和寿命。

(1)电池技术

目前,锂离子电池(锂)已经广泛应用于便携式电子产品。锂电池提供能量密度高于镍氢电池(镍氢)。此外,这些电池允许大量的充电/放电循环没有记忆效应,确保电池寿命长时间[2]。但是,锂离子电池的能量密度和性能在很大程度上是取决于阴极和阳极材料的物理和化学性质。有不同类型的锂离子电池阴极材料的区别主要在于例如钴酸锂,锂锰氧化物,磷酸铁锂等一些新材料也出现在阳极代替石墨(不仅阳极阴极)。本文论述了研究在过去的十年里不同的阴极和阳极材料。他们中的一些人提到如下:

(一)锂-空气电池

(b)硅纳米粒子作为锂离子电池阳极

(c)硫作为锂离子电池的阴极

(d)锂钛镧氧化物(LLTO)电池阴极

(e)锂聚合物电池

(f)有机激进的电池

(g)绿色大米锂离子电池

(h)石墨烯作为锂离子电池阳极

)锂-空气电池:这种类型的电池使用李金属作为阳极和氧气作为阴极。锂空气电池提供的优越的能量密度是由于锂阳极的耦合通过多孔碳基空气阴极,大气中的氧气而不是沉重的传统锂离子电池中发现的化合物。电池放电时,锂离子从阳极流通过电解质和结合氧气在阴极形成锂氧化物,插入到阴极。在充电过程中,锂氧化物单独成锂和氧气,因此这个过程可以重新开始。去年的研究中使用的碳基电极孔隙空间只有约70%,但新的carbon-fibre-based更多孔电极和拥有超过90%的空白空间。这意味着carbon-fibre-based电极可以更有效地存储填补毛孔的氧化锂电池放电。carbon-fiber-based电极可以存储四倍能源因其重量比目前的锂离子电池电极[3]。这个电池的实际实现的主要挑战是保持电池免受环境大气中的氧气由湿度降低阴极[4]。

b)硅纳米粒子作为锂离子电池阳极:这种类型的电池使用李金属作为阴极和Si阳极。李的电化学合金化反应与Si涉及高达400%的体积膨胀锂插入,并提取锂涉及显著收缩。大体积变化诱发的应激导致硅的开裂和粉碎,从而导致损失的电接触并最终衰落的能力。雷竞技网页版硅阳极的另一个挑战是不稳定的固态电解质界面(SEI)。重复的体积膨胀和收缩不断变化之间的接口Si和有机电解质,因此防止形成一层稳定的SEI,进而导致低铌的效率和减少在电池循环能力。硅阳极Si之间也应该保持良好的电接触材料和集电器在骑自行车。雷竞技网页版尽管机械断裂并不发生在硅纳米结构低于临界尺寸,大体积变化仍然可能造成硅纳米结构的运动和超然的进行环境在长期电池循环。最后,这些挑战加剧,这些硅阳极的合成必须廉价和可伸缩的取代当前碳阳极锂离子电池[5]。

c)硫作为锂离子电池的阴极:在这些类型的电池,使用硫阴极,能够存储更多的能量比其他商用电池5倍。但是硫粒子受到以下问题:

我。可怜的电子导电率

二世。解散中间多硫化物

三世。大体积膨胀,大约80%。

这个问题可以解决通过封装硫与多孔碳或石墨烯氧化物硫磺二氧化钛蛋黄壳(纳米粒子的纳米结构,是由硫磺、核心的多孔氧化钛的外层包围)[20]。这个形态提供了内部孔隙空间来容纳体积膨胀的硫lithiation期间,导致结构完整的壳聚硫的有效捕获,[6]。

d)锂钛镧氧化物(LLTO)阴极电池:电池的阴极和阳极材料的研究材料,研究人员发现一个非常有用的化合物李拉Ti−−−O (LLTO),这是一个快速锂离子导体作为一种有效的阴极材料涂层材料中使用可充电的锂离子电池。这个快锂离子导体的特点是采用基于计算显示低活化障碍在不同锂为锂扩散浓度。这种增强的可能原因探索。实验使用电压稳定器的间歇滴定技术(皮特),电化学阻抗谱(EIS),由于高锂LLTO涂料导电性,化学李+扩散系数是一个级高的涂层样品比裸露的样本。此外,两界面电荷转移阻抗和李+运输solid-electrolyte-interphace (SEI)层减少高达50%的涂层样品[7]。

李e)锂聚合物电池:聚合物电池通常是由几个相同的二次电池并联增加放电电流能力,并且常常在系列“包”增加总的可用电压。锂盐电解质的主要区别是没有在有机溶剂举行固体聚合物复合聚氧化乙烯或polyacryonitrile等。在锂锂离子聚合物的优点设计包括潜在的低成本制造、适应性广泛的包装形状、可靠性、和强度,持有更少的缺点。锂离子聚合物电池开始出现在消费电子产品约1995 [8]。

f)有机激进的电池:电池有机自由基(ORB)是一种相对较新的类型的生态友好、高功率、高能量密度可充电电池最早于2005年研制成功[9]。它使用一个有机自由基聚合物,这是一个灵活的塑料,而不是金属提供电力。聚合物含有稳定自由基,使其独特的属性,并以凝胶的形式与电解质饱和。

有机激进的电池是由稳定的有机自由基聚合物,例如聚(2 2 6 6 -四甲基piperidine-N-oxyl 4 ylmethacrylate) (PTMA)作为负极活性物质[9]。阳极,这是消极的一面的电池,是由相同的碳用于可充电的锂离子电池。ORB是高度的阴极导电和创建有机激进的固体和碳纤维制成的凝胶,洋溢着电解质[9]。

g)绿色大米锂离子电池:在最新技术的化身,攀爬的草药可以奠定基础的环保替代传统的锂离子电池(锂)。生产和回收泵产生大约72公斤的二氧化碳,向大气中温室气体,每千瓦时的能量锂电池[10]。这些残酷的事实美联储发展绿色电池需求的飙升。分子生物学基础颜色,如红紫素(1、2、4-Trihydroxyanthraquinon)及其亲戚,似乎来说明作为电池的电极。在红紫素的情况下,分子的六元(芳香)环挂满羰基和羟基善于通过电子来回,就像传统的电极。这些芳香系统电子的分子,容易配合锂。此外,越来越多的茜草属(西南亚洲多年生植物)或其他生物质农作物使电池可以吸收二氧化碳和消除处理问题,没有有毒成分,锂离子电池可以扔掉[11]。

h)石墨烯作为锂离子电池阳极:石墨烯是二维表的sp2杂化碳,延长蜂窝网络是其他重要的同素异形体的基本构建块:它可以堆积形成三维石墨,滚成一维纳米管和包装形成零维富勒烯。所以1 d纳米管和0 d富勒烯用作锂离子电池的阳极材料,表现出改进的电化学性能。高质量石墨烯卷曲形态组成的薄皱纸结构,减少层(4层)和一个大特定区域(492.5 m2g-1)准备使用一个热剥离方法。电化学性能测试表明,制备石墨烯表的第一个可逆比容量高达1264 mAhg-1 100 mAg-1的电流密度。在40 100 mAg-1周期在不同电流密度,300 mAg-1 mAg-1 500和1000 mAg-1和可逆容量仍维持在848 mAg-1,这表明,制备石墨烯具有良好的循环性能的锂存储[12]。

在上述讨论的对比图如下所示。

(2)能量收集技术

能量收集的过程能源来源于外部能源如太阳能、热能、风能、盐度梯度和动能捕获和存储为小,无线自动设备,如用于电子系统和无线传感器网络。

能量收割机提供少量的低能电子。许多丰富的能源可能使用电子设备获取能量,下面提到的一些相关技术。

(一)权力从人类呼吸

(b)权力从人们的脂肪

(c)权力从血压

(d)权力从键盘输入

从鞋(e)充电

从人类呼吸)的权力:

平均68公斤的人有一个近似的进气速度每分钟30升。然而,可用的呼吸压力高于大气压力仅为2%。研究表明,权力被肺通气(呼吸)是0.1到40瓦。增加呼吸摄入所需的努力可能有害的生理影响,所以只考虑代呼出的能量。因此,最大可用功率是:

XΔV W = P

P = 0.02 X 1.013 X 10 ^ 5公斤/ msec ^ 2) (30 L / 1分钟)X(1分/ 60秒)1 m ^ 3/1000 L) = 1.0瓦特/分钟研究者探讨了利用能源的方法从呼吸的植入式电子产品。这样研究人员把实验放在狗和他们extracted17μW和改进要求能够达到1 mw [14]。

b)权力从血压:

便携式电子产品还可以通过新兴产生血压。例如平均血压100毫米汞柱(120/80毫米汞柱),静息心率每分钟60次和70毫升的心搏量通过主动脉每打败,然后生成,P =(100毫米汞柱)X (1.013 X 10 ^ 5公斤/ msec ^ 2) /(760毫米汞柱)X(60次/ 1分钟)X(1分/ 60秒)X 0.071 X (1 m ^ 3/1000) = 0.93瓦特[14]。

c)权力从人们的脂肪:人体是能量的巨大仓库。一克脂肪储存约。9000卡路里的热量。例如平均68公斤的人大约有15%的身体脂肪储存能量相当于384 MJ。同样,表1提供了一个视角的权力使用的人体在各种活动:

d)权力从打字键盘:

键盘(HandyKey抚弄®)是计算机的一个重要组成部分,在今天的生活起着至关重要的作用。因此,它将被用作能源的来源。例如近似130克的压力需要抑制输入数据的一个关键1毫米。

能量从1击键=(0.13千克)X(9.8米/秒^ 2)X (0.001) = 1.3 mJ /击键。因此,足够的能量可以从连续打字[14]。

e)收费从鞋子:压电元素作为压力传感器将压力能转化为电能。压电元件产生最大功率当我们应用特定频率的压力能量。为了最大化功率多束层使用压电晶体[15]。

这个想法让我们提出一个模型使用压电元素获取能量的电子移动设备。应用足够多的压力在鞋子走路。所以一个想法插入一个多层压电元素鞋将这种压力转化为电能。为了实现合适的电能,我们选择压电元素通过不同的实验和仿真软件[16]。

由压电发电电气元件在本质上是脉动的,所以我们利用交直流转换器转换成直流后,这是美联储或准备使用存储元素。框图如下所示。

(4)未来充电技术:在最近的过去,移动电子产品收取的有线充电器。但是现在一天,无线充电配件要受欢迎,未来十年将无线充电。

无线充电技术:麦克斯韦方程,制定1862年,基本上是第一个理论基础的无线电力传输(WPT)。他承认了第一个WPT实验在19世纪的结束。他试图通过150 kHz无线电波广播大约300千瓦的电力。不幸的是,他失败了,因为无线电力的扩散,这取决于操作的频率和发射天线的大小。特斯拉的失败后,无线电波的历史发展集中在无线通信和遥感而不是WPT。然而,无线通讯和遥感技术的进步帮助开发新的WPT技术[17]。

无线充电在近场条件下操作,在这个过程中,线圈产生磁场,次级线圈的距离。

类型的无线充电:无线充电是分为三类:[18]

(一)无线充电

(b)感应充电

(c)共振充电

无线充电将低功耗设备操作在一个10米(30英尺)半径从发射机充电电池在医学植入物、助听器、手表和娱乐设备。无线充电也可以激活先进RFID(无线射频识别)通过共鸣地增强感应芯片。发射机发送一个低功耗无线电波的频率915 mhz(频率为微波炉)和接收机信号转换为能量。无线充电方法接近常规无线电发射器;它提供了很高的灵活性,但低功率捕获和使人们electro-smog [19]。

基于射频无线充电为低功率设备和能量收获:射频能量正在播放从世界各地数十亿无线电发射器,包括移动电话、手持无线电、移动基站、电视/广播电台。收获的射频能量的能力,从环境或专用的来源,使低功耗的无线充电设备和这给好处像产品设计、可用性和可靠性。消除电池充电技术系统可以慢慢地替换或扩展系统使用一次性电池的使用寿命。Battery-free设备时可以用来操作要求或足够的电荷累积。在这两种情况下,这些设备可以免费连接器、电缆、电池访问面板和自由的放置和移动充电和使用[19]。

手机代表一个大收获射频发射机的能源,并可能会让用户提供power-on-demand各种近距离传感应用。

美国ABI研究公司和iSupply估计手机订阅的数量现已超过50亿,和ITU(国际电信联盟)估计,超过10亿订阅移动宽带存在。

考虑数量的wi - fi路由器和无线终端设备如平板电脑、笔记本电脑、phablets,智能手机等。在一些城市环境,可以从字面上发现数以百计的wi - fi接入点从单一位置。在比较短的距离里面造成,如在同一房间,可以收获一个微小的能量从一个典型的wi - fi路由器传输的功率50到100兆瓦。为远程操作,需要较大的天线增益较高的实际收获来自移动基站的射频能量和广播无线电塔。2005年,实力铸造演示环境射频能量收获在1.5英里(约2.4公里),从一个小5 kW电台[18]。

b)感应充电由近距离发射和接收线圈。电动牙刷是第一批设备使用这个充电方法,和手机是增长最大的部门。对手机充电,只需附上“皮肤”,它包含接收者并提供连接到充电器插座。许多新设备将这个特性[18]建成的。

c)共振充电基本上工作线圈环产生一个振荡磁场内半径1米(3英尺);传输和接收线圈之间的距离必须在波长的1/4th (915 mhz的波长为0.328米)。目前,谐振充电在试验可以提供大约3000瓦80 - 90的转换效率。这是用于更大的电池[21]。

结论

本文总结当前电池技术研究,讨论未来的手机电池和如何修改当前电池的优化性能通过使用不同的阳极和阴极材料。也给光新能源收获技术的介绍,提出新的充电技术,传统充电器的功率损耗降低下台的过程。下一代电池可以提供更多的能量,持续时间更长和在某些情况下甚至比当前的电池成本更低。遗憾的是他们都没有准备就绪,但有一线希望,预见一个革命性的变化,在能源未来移动电子设备。

引用

http://www.intel.com/content/www/us/en/history/museum-gordon-moore-law.html
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_best_battery。
Darrent快,”麻省理工学院的研究人员提高锂空气电池的能量密度。
Dexter约翰逊”,纳米窥视锂空气电池承诺电池电动汽车”,IEEE频谱。
回族,广元郑年刘,托马斯·卡尼,元阳,崔和彝语“工程为锂离子电池阳极硅纳米颗粒之间的空间”纳米列托人。2012年,12日904−909页。
年,回族,马修·t·麦克道尔燕姚明,崔Chongmin Wang和彝语“Yolk-Shell设计稳定和可伸缩的锂电池合金阳极“Nano。,2012,12(6),3315 - 3321页。
丹娜钱,波许,Hyung-Man曹,凯尔·j·卡罗尔Hatsukade彻和孟应雪莉“锂钛镧氧化物:快离子导电涂层为锂离子电池阴极化学。板牙。,2012, 24 (14), pp 2744–2751.
2014年6月https://www.apple.com/in/batteries/。
马修汉弗莱斯,“植物染料用于创建绿色锂离子电池。
Arava Leela都是因为Mohana Reddy,印度纳Porramate Chumyim, Sanketh r .高达Padmanava Pradhan, Swapnil r . Jadhav Dubey马丹,乔治·约翰和Pulickel m . Ajayan1“锂存储机制在红紫素有机锂离子电池电极”,科学报告| 2:960 | DOI: 10.1038 / srep00960。
Peichao丽安,雪峰朱Shuzhao梁,钟,Weishen杨Haihui王,“大型可逆容量高质量的石墨烯作为锂离子电池阳极材料”,Electrochima Acta55 (2010) 3909 - 3914。
Murugavel Raju,马克牧场主,“能量收获ULP满足能量收获:一个游戏——改变组合设计工程师”,德州仪器,白皮书,2010年4月。
萨德Starner约瑟夫·a .天堂“人类生成力量移动电子产品”低功率电子产品设计、CRC出版社,2004年秋季。
Mikko Leinonen, Jakko Palosaari、Maciej Sobocinski Jari Jutti和直升机Jantunen,“能量收获与压电材料振动和行走”,Puoulustusministerio Forsvarsministeriet国防部。
e . Minazara d Vasic f·科斯塔:“压电发电机收集自行车振动能量供应便携设备”。
阿喝&古塔,“无线电力传输:应用程序和组件”国际工程研究与技术杂志》上(IJERT),卷1问题5、7 - 2012。
电池充电电池大学”没有电线,”论文\ \没有电线——电池University.html充电电池。
安德烈•科尔Aristeidis卡拉里斯,j . d . Joannopoulous罗伯特•莫法“通过强耦合磁共振无线电力传输”,科学卷317年7月6日2007年。
Dexter约翰逊”,纳米粒子使储能电池”世界纪录IEEE频谱
http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/nanoparticle-enables-world-record-for-energy-storage-in-batteries, 2013年1月。