IF=32.4 | 磁场和超声的双能源收集装置

文摘   科学   2024-07-06 20:03   浙江  

宾夕法尼亚州立大学研究团队在《Energy & Environmental Science》上发表研究文章 “Magnetic field and ultrasound induced simultaneous wireless energy harvesting”,利用磁场和超声波感应同时进行无线能量收集

随着植入式医疗设备尺寸的缩小,其中一大挑战是提供运行所需的微小直流电源。虽然可以使用电池,但电池尺寸有下限,并且需要更换,这存在感染的风险。

研究者们正在探索的一个有吸引力的替代方案是收集各种来源(磁、热、振动、超声波)的能量。收集效率通常与尺寸表面积成正比,然而,这对植入式医疗设备来说并不是理想的选择。

为了解决这个问题,宾夕法尼亚州立大学研究团队开发了一种可以同时从磁场和超声源收集能量的设备。这是首个同时高效收集双能源的设备,并且在严格的热、磁和人体组织安全限制范围内运行。

这种设备采用两步过程将磁场能量转换为电能。其中一层是磁致伸缩层,可将磁场转化为应力。另一层是压电式的;它将应力或振动转化为电场。压电层还可以同时将超声波能量转换成电流。这种组合使该设备能够将磁场转化为电流。

设计的磁盘结构磁电器件由高能量密度的新型 MnO2 和 CuO 共掺杂 Pb(In,Nb)O3–Pb(Mg,Nb)O3–PbTiO3 (PIN–PMN–PT) 压电盘形换能器夹在磁致伸缩 Metglas 层之间。

磁场和超声双发生器(magnetic field and ultrasound induced dual generator,MUDG)在约 500μT 磁场和 675mW/cm^2 声强下产生约 52.1mW 的超高均方根功率和约 597mW/cm^3 的功率密度。

采用双无线能量传输策略,同时捕获输入磁场和超声波。该采集器在离体条件下在猪组织中以 ∼1.67mC/s 速率为 3V、1mAh 容量的锂离子电池充电。本研究所提出的双能量传输结构推动了下一代电源的发展。

基于电磁和超声的双能量收集和电池存储装置示意图
使用 MUDG 设备进行磁场能量收集
使用 MUDG 设备进行超声能量收集
使用 MUDG 设备进行磁场和超声双能量收集
不同磁场和超声强度下 MUDG 装置的平均功率密度
在猪组织中植入 MUDG 装置,实现双重能量收集
细胞粘附和细胞毒性验证

原文链接
DOI: 10.1039/D3EE03889K



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