[논문 리뷰] Battery Detached Energy Conversion by Pyroelectric Effect

Chenbo Zhang, Yintao Song외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 11.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 BaTiO₃ 및 Zr 도핑된 BaTiO₃에서 주기적인 온도 사이클을 이용해 폐열을 직접 전기로 변환하는 배터리가 없는 피로전기 에너지 수확 장치를 제안한다. 시스템은 임계 주파수 이하에서는 주기당 선형적인 일 출력을 보이며, 열역학 모델과 에너지 변환 최적화를 위한 새로운 성능 지표(ζ)에 의해 검증된다. 이 성능 지표는 재료 특성과 장치 설계를 분리하여 제공한다.

ABSTRACT

We propose a pyroelectric energy conversion device that converts heat directly to electricity. In contrast to conventional pyroelectric energy conversion designs, this energy harvesting system is detached from any external power sources, operating only under periodically varying temperature. Such detachment unambiguously attributes the converted electricity to heat that drives the change of polarization in the pyroelectric material, not to the electric field alternation caused by the external battery. Using pure and Zr doped BaTiO$_3$, we demonstrate the electricity generation in consecutive temperature cycles. We further develop a thermodynamic model for the energy conversion system. Our model suggests that the work output is rate dependent: the work output per cycle is linearly dependent on the heat/cooling frequency below the predicted threshold. The linearity is confirmed by experiments, and the threshold frequency is derived by theory. Finally we propose a figure of merit that separates the materials intrinsic properties from the system design parameters. The figure of merit guides the future material development and device improvement. Our work clears out confusions and reforms the foundation for pyroelectric materials' resurgence as a competitor for green electricity.

연구 동기 및 목표

• 외부 배터리 없이 작동하는 피로전기 에너지 변환 시스템을 개발하여, 전기 생성이 열 사이클에 의해 명확히 기인됨을 보장한다.
• 이전 연구에서 배터리로 인한 전기장 변화로 인해 진정한 피로전기 에너지 수확의 본질이 흐려진 문제를 해결한다.
• 주파수 의존성 일 출력을 예측하고 선형 응답의 임계 주파수를 규명하는 열역학 모델을 수립한다.
• 재료의 내재적 성질과 장치 설계 매개변수를 분리하여 목표 지향적인 재료 개발이 가능한 성능 지표(ζ)를 도입한다.
• 순수한 BaTiO₃와 Zr 도핑된 BaTiO₃를 다수의 온도 사이클에 걸쳐 실험적으로 모델을 검증한다.

제안 방법

• 시스템은 에릭손 사이클을 기반으로 하며, 동온 가열 및 냉각 단계와 등압 전기장 변화를 통해 직접 열에서 전기로의 변환을 가능하게 한다.
• 대칭적 가열/냉각과 저주파 작동 조건을 가정하여, 주기당 차원 없는 일 출력을 계산하기 위한 열역학 모델을 유도한다.
• 핵심 식에는 일 출력 표현식(45)과 그 근사식(48)이 포함되며, 이는 일 밀도가 피로전기 계수, 극화도 변화량, 사이클 주파수와 관련이 있음을 나타낸다.
• 성능 지표 ζ = (κ[ΔP]/ℓ) × (AR/d)를 제안하며, 여기서 ζ₁ = κ[ΔP]/ℓ는 재료에 특화된 값이고, ζ₂는 장치 기하학적 구조에 따라 달라진다.
• 실험적 검증은 부직성 및 박막 BaTiO₃ 및 Zr 도핑된 BaTiO₃를 사용하여, 연속적인 온도 사이클 동안 부하 저항소자 양단의 전압을 측정한다.
• 모델은 저주파 조건에서 시스템이 준정적 평형에 도달한다고 가정하며, 이는 극화도와 온도 도함수 기반의 일 출력 분석적 추정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배터리 없이 피로전기 에너지 수확을 달성할 수 있으며, 생성된 전기의 기원이 열 사이클에 의해 유일하게 기인되는가?
• RQ2 주기당 일 출력은 가열/냉각 주파수에 어떻게 의존하는가? 선형성의 임계 주파수 이상에서 선형성이 깨지는가?
• RQ3 피로전기 계수, 극화도 변화량, 열적 성질 간의 관계는 에너지 변환 효율을 결정하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 내재적 재료 성능과 장치 설계 매개변수를 분리할 수 있는 성능 지표는 어떻게 정의할 수 있는가?
• RQ5 이론적 모델은 다양한 도핑 수준과 주파수에서 실험적 일 출력을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 배터리가 분리된 피로전기 장치는 순수한 BaTiO₃ 및 Zr 도핑된 BaTiO₃에서 주기적인 온도 사이클을 통해 전기를 성공적으로 생성하였으며, 출력이 외부 전압에 기인한 것이 아니라 피로전기 효과에 기인함을 확인하였다.
• 임계 주파수 이하에서는 주기당 일 출력이 가열/냉각 주파수에 선형적으로 의존하며, 이는 실험적으로 확인되었고 열역학 모델에 의해 예측되었다.
• 성능 지표 ζ₁ = κ[ΔP]/ℓ는 BaTiO₃, Zr₀.₀₀₆, Zr₀.₀₁ 도핑된 BaTiO₃에서 각각 0.35, 3.5, 4.0 μC²/(J·cm·K)이며, 높은 값일수록 더 높은 에너지 변환 잠재력을 나타낸다.
• 모델은 일 밀도가 w ≈ 2κ[ΔP]AR/(dτ)로 스케일링됨을 예측하며, 이는 사이클 시간 τ에 반비례하고 극화도 변화량 및 재료 성질에 직접 비례함을 보여준다.
• 본 연구는 잠열(ℓ)이 크고 κ[ΔP]/ℓ 비율이 높은 재료가, 피로전기 계수는 유사하더라도 잠재적으로 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있음을 시사한다.
• 제안된 성능 지표 ζ는 재료 성질(ζ₁)과 장치 매개변수(ζ₂)를 분리하여, 성능 향상을 위한 재료 및 장치 기하학적 구조의 타겟팅 최적화를 가능하게 한다.