Energy Harvesting basierend auf Ferroelektreten mit transversalem piezoelektrischen Effekt

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Kupnik; Professor Dr.-Ing. Heinz von Seggern
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392020380

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Ferroelektreten für die Anwendung im 33- und 31-Mode Energy Harvesting. Der erste Energy Harvester wurde für den 33-Mode-Betrieb konzipiert. Dabei wurden die röhrenförmigen Ferroelektrete auf der Grundlage eines FEA-Modells optimiert. Die besten Ergebnisse wurden durch die Verwendung eines einzelnen Rohres mit einer Wandstärke von 20 μm erzielt, das anschließend für den Bau des ersten Harvesters verwendet wurde. Bei einer Eingangsbeschleunigung von 1 g (rms) war eine Ausgangsleistung von bis zu 300 µW bei Frequenzen um 100 Hz möglich. Da ein auf diesen Röhren basierender 31-Mode- Energy-Harvester instabil war, wurde eine neue Struktur (Parallel-Tunnel-Struktur) untersucht. Die faszinierenden piezoelektrischen d31-Koeffizienten und das niedrige Elastizitätsmodul dieser Ferroelektrete ermöglichten den Entwurf eines 31-Moden-Energie-Harvesters. Durch die Platzierung des Ferroelektreten in einem Abstand h und eine geeignete Vorspannung der Folie konnte eine hervorragende Ausgangsleistung von mehr als 1 mW erreicht werden. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung der Energiegewinnung durch Schwingungen mit Ferroelektreten dar und übertrifft bei weitem frühere Leistungsdaten für Polymer-Cantilever-Bauelemente. Im Hinblick auf eine umweltfreundlichere Zukunft und die wachsende Nachfrage nach umweltfreundlichen Sensormaterialien untersuchten wir ein alternatives Material zu FEP, das bei der Entsorgung umweltschädlich ist. Daher untersuchten wir Polymilchsäure (PLA) als biologisch abbaubares Ferroelektret-Material in drei verschiedenen Formen: als PLA-bulk-Filme, als zelluläre PLA-Filme und als Filament für den 3D-Druck. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse in Bezug auf die Ladungsstabilität und die große Piezoelektrizität der PLA-basierten Ferroelektrete konnte ihr Potenzial in einigen Anwendungen wie in einem umweltfreundlichen Ultraschallwandler und in einem mechanischen Sensor nachgewiesen werden. Hier ebnen kleine, aber erfolgreiche Schritte den Weg zu neuen und biologisch abbaubaren oder zumindest umweltfreundlicheren elektronischen Produkten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2019). “Acoustic energy harvesting with irradiated cross-linked polypropylene piezoelectret films”. Physica Scripta, 94(9), 095002
  Xue, Y., Zhao, J., Zhang, X., Sessler, G. M., and Kupnik, M.
  
• (2019, October). “Modeling of piezoelectric coupling coefficients of soft ferroelectrets for energy harvesting”. In 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) (pp. 2454-2457). IEEE
  Ben Dali, O., Zhukov, S., Chadda, R., Pondrom, P., Zhang, X., Sessler, G., von Seggern, H., and Kupnik, M.
  
• (2020). “Biodegradable cellular polylactic acid ferroelectrets with strong longitudinal and transverse piezoelectricity”. Applied Physics Letters, 117(11), 112901
  Zhukov, S., Ma, X., Seggern, H. V., Sessler, G. M., Dali, O. B., Kupnik, M., and Zhang, X.
  
• (2020). “Cantilever-based ferroelectret energy harvesting”. Applied Physics Letters, 116(24), 243901
  Ben Dali, O., Pondrom, P., Sessler, G. M., Zhukov, S., Von Seggern, H., Zhang, X., and Kupnik, M.
  
• (2020). “Ferroelectret-based flexible transducers: A strategy for acoustic levitation and manipulation of particles”. The Journal of the Acoustical Society of America, 147(5), EL421-EL427
  Xue, Y., Zhang, X., Chadda, R., Sessler, G. M., and Kupnik, M.
  
• (2020). “High performance fluorinated polyethylene propylene ferroelectrets with an airfilled parallel-tunnel structure”. Smart Materials and Structures, 30(1), 015002
  Ma, X., von Seggern, H., Sessler, G. M., Zhukov, S., Ben Dali, O., Kupnik, M., and Zhang, X.
  
• (2020). “Microenergy harvesters based on fluorinated ethylene propylene piezotubes". Advanced Engineering Materials, 22(5), 1901399
  Zhukov, S., von Seggern, H., Zhang, X., Xue, Y., Ben Dali, O., Pondrom, P., Sessler, G., and Kupnik, M.
  
• (2020). „Mechanical energy harvesting with ferroelectrets“. IEEE Electrical Insulation Magazine, 36(6), 47-58
  Zhang, X., von Seggern, H., Sessler, G. M., and Kupnik, M.
  
• (2021). Tuneable resonance frequency vibrational energy harvester with electret‐embedded variable capacitor. IET Nanodielectrics, 4(2), 53-62
  Ma, X., Yang, X., von Seggern, H., Dai, Y., He, P., Sessler, G. M., and Zhang, X.
  
• (2021). „Highly Efficient Piezoelectrets through Ultra-Soft Elastomeric Spacers“. Polymers, 13(21), 3751
  von Seggern, H., Zhukov, S., Ben Dali, O., Hartmann, C., Sessler, G. M., and Kupnik, M.
  
• “Biodegradable 3D-printed ferroelectret ultrasonic transducer with large output pressure”. In 2021 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) (pp. 1-4). IEEE
  Ben Dali, O., Zhukov, S., Rutsch, M., Hartmann, C., Von Seggern, H., Sessler, G. M., and Kupnik, M.
  
• “Biodegradable additive manufactured ferroelectret as mechanical sensor”. In 2021 IEEE Sensors (pp. 1-4). IEEE
  Ben Dali, O., Zhukov, S., Hartman, C., von Seggern, H., Sessler, G. M., and Kupnik, M.
  
• (2022). “Ferroelectret energy harvesting with 3D‐printed air‐spaced cantilever design”. Nano Select, 3(3), 713-722
  Ben Dali, O., von Seggern, H., Sessler, G. M., Pondrom, P., Zhukov, S., Zhang, X., and Kupnik, M.