Vinding maakt opladen elektronica in kleding via lichaamswarmte mogelijk

Een team van Chinese onderzoekers heeft een manier bedacht om energie op te wekken door, met behulp van gelvormige elektrolyten, gebruik te maken van het verschil in temperatuur tussen het oppervlak van het lichaam en de buitenlucht.

Met de verkregen energie van de in elektriciteit omgezette lichaamswarmte kan bijvoorbeeld draagbare elektronica van energie worden voorzien. De Chinezen gebruikten hiervoor twee soorten thermogalvanische gelelektrolyten, een positieve en een negatieve, die tussen twee flexibele substraten geplaatst werden. Zo kon een op gel gebaseerde thermocel gemaakt worden.

Het gebruik van gelelektrolyten maakt de Chinese techniek voor wearables interessanter dan eerdere restwarmtegenerators, die met vloeibare elektrolyten of zouten als elektrolyt werken. Het systeem functioneert door middel van het thermogalvanisch effect, waarbij twee elektrodes in een geleidende vloeistof of elektrolyt geplaatst zijn. Vaak bestaat een elektrolyt uit een vloeistof, maar dat is niet handig in verband met lekken. Daarom gebruikten de Chinezen een gel.

De gels zijn in aparte cellen geplaatst, waarbij de cel met Fe²⁺ en Fe³⁺ aan de koude kant van de cel een negatief potentiaal heeft en celtype twee met [Fe(CN)₆]^3- en [Fe(CN)₆]^4- aan de koude kant een positieve lading.

De cellen zijn vervolgens in een schaakbordpatroon gerangschikt en afwisselend boven en onder verbonden met metalen plaatjes, zodat de cellen in serie staan. Als prototype ontwikkelden de onderzoekers een handschoen waarmee in een omgeving van 5°C 0,7V bij 0,3μW verkregen kon worden, wat zeer weinig is. Het te verwachten rendement bij dit soort systemen is ook heel klein, maar afhankelijk van het type toepassing misschien niet heel relevant. Het eerste doel van de onderzoekers is in ieder geval meer energie uit kleinere temperatuurverschillen te krijgen. Gemiddeld is de temperatuur van de huid zo'n 32°C.

Het artikel in Angewandte Chemie is te vinden bij Wiley.

Reacties (53)

[Sissors]

Even een reality check, en om te beginnen de disclaimer: Ja het is een eerste versie, kan worden geoptimaliseerd, etc etc.

Deze handschoen levert 0.3uW op. Een CR2032 knoopcel is zo'n 220mAh bij 3V: 660mWh. Delen we die twee op elkaar, dan komen we uit op: 2200000 uur. Oftewel na het voor 250 jaar permanent dragen van deze handschoen levert hij meer op dan een knoopcel.

Dus op deze manier zorgt het er niet voor dat je wearables langzamer leeglopen, en als je het wil combineren met een draagbare accu dan ben je beter af met alleen de accu. In principe zorgt het er ook voor dat je handschoenen dus minder goed isoleren, al moet het rendement wel echt extreem laag zijn voor je dat zal merken bij zulke opbrengsten.

En zoals ik dus begon, in principe een leuke stap hoor. Maar zolang het niet nog meerdere orders verbeterd wordt zou ik eerder vooruit kijken naar onopvallende flexibele zonnepanelen, of iets wat door bewegingen energie opwekt.

[The Third Man]

De handschoen is eigenlijk geen prototype maar een proof-of-concept. Prototypes zijn testmodellen die een voorbeeld kunnen zijn voor een productiemodel, en dat is deze handschoen niet natuurlijk.

[cdwave]

Het zou een proof-of-concept zijn geweest als het nog ongetest was.

Ik had pakweg 15 jaar geleden al gemeten dat je een beetje energie uit een Peltier element kon halen als je een kant verwarmde en de andere koelde. Wat logisch is, aangezien het element het omgekeerde doet als je er elektrische stroom doorheen stuurt.

Wat hier wordt beschreven lijkt verdacht op een Peltier element. Misschien is er wel vraag naar buigbare Peltiers?

En nee, je kunt geen werkend "afkoelpak" maken van buigbare peltiers. Je moet de warmte aan de warme kant namelijk wel snel afvoeren (vandaar die ventilatortjes in die koelboxjes) anders lekt de warmte gewoon terug naar de koude kant door de Peltier heen (die is van silicium, en da's een matige warmtegeleider), en wordt het heel snel heel warm in het pak. Het pak zou misschien wel werken als je hardloopt, maar zodra je stilstaat en de convectie afneemt, slaan de Peltiers door en wordt 't verwarmen in plaats van koelen...

[The Third Man]

"Het zou een proof-of-concept zijn geweest als het nog ongetest was."

Die volg ik niet helemaal:

Proof of concept is a realization of a certain method or idea to demonstrate its feasibility,[1] or a demonstration in principle, whose purpose is to verify that some concept or theory has the potential of being used. A proof of concept is usually small and may or may not be complete.

Volgens Wikipedia.

PoC's gaan meestal vooraf aan prototyping om te demonstreren dat het zin heeft er meer R&D tijd en geld in te stoppen. Het begrip 'testen' is daarvoor te breed, een test kan eigenlijk alles zijn, terwijl een PoC en een protoype duidelijk geformuleerde productstadia zijn.

[Reactie gewijzigd door The Third Man op 23 juli 2024 17:16]

[cdwave]

Ik bedoel dat het helemaal geen nieuw idee is, 't is al decennia oud.

Koop zo'n Peltierkoelbox bij de voordeelsupermarkt, zet er een multimetertje aan en maak een kant warm. Tada, stroom. En inderdaad in de microwatts.

Een demonstratie van een gloeilamp prototype zou ik ook niet echt een "proof of concept" meer durven noemen.

[The Third Man]

Wel als je bijvoorbeeld een lichtgevende halfgeleider in een kunststof verwerkt zodat je een lichtgevende handschoen zou kunnen maken. Dat is en blijft een LED maar als implementatie is het nog steeds een proof of concept.

Men noemt in de publicatie ook dat hier een afwijkende techniek is toegepast, namelijk gel electrolyten:

Previous reports mainly focused on the exploration of electrode materials, such as carbonnanotubes (CNTs) and graphene,[25–28] to achieve high thermal–electric conversion efficiencies. However, because of the aqueous electrolytes used in thermocells, large-scale integration and packaging of the units would be more difficult in applications, especially for wearable devices.[29] Inspired by the successful application of gel electrolytes in solid-state electrochemical energy storage systems and stretchable ionic conductors,[30–33] we surmised that solid-state or quasi-solid-state gel electrolytes may enable the large-scale integration of thermocells.

Herein, we report an integrated wearable thermocell based on gel electrolytes for low-grade thermal energy conversion. Poly(vinyl alcohol) (PVA) was used as the gel solution, with addition of ferric/ferrous chloride or potassiumferricyanide/ferrocyanide couples to obtain thermogalvanic gel electrolytes exhibiting positive or negative thermo-electrochemical Seebeck coefficients.

[Reactie gewijzigd door The Third Man op 23 juli 2024 17:16]

[Ryan1981]

Ik moest ook even 2 keer kijken toen ik warmte las, als je het voor elkaar krijgt om warmte efficient en goedkoop om te zetten naar een meer bruikbare vorm van energie dan heb je volgens mij wel een nobelprijs te pakken en kun je in een keer het broeikaseffect oplossen en alle processen die restwarmte produceren een boost in rendement geven!

Helaas zoals jij schets idd nog ver van een bruikbare toepassing.

[Verwijderd]

en kun je in een keer het broeikaseffect oplossen

Daar hebben we geen nieuwe technieken voor nodig, maar alleen de wil om het te doen. De technieken daarvoor bestaan al lang.

[Permutor]

Ja Ryan1981, je slaat een spijker op zijn kop. Inmiddels meer dan een eeuw bekend in de thermodynamica, maar helaas duidelijk niet bekend bij eenieder in dit forum.
Wat ik nog kwijt wilde over de materiaalkeuze van de gel. Als dat gaat lekken krijg je vreselijke vlekken. En dat spul vreet je kleding op.

[Reactie gewijzigd door Permutor op 23 juli 2024 17:16]

[BadRespawn]

Maar zolang het niet nog meerdere orders verbeterd wordt...

"meerdere ordes van grootte" bedoel je waarschijnlijk. (1 orde van grootte = factor 10)

[steveman]

Betekent dit dan ook gelijk dat die materiaal je lichaam wat helpt afkoelen? Kan wel fijn zijn met warm weer en inspanning

[Fealine]

Dacht ik ook gelijk, maar toen las ik:

gebruik te maken het verschil in temperatuur tussen het oppervlak van het lichaam en de buitentemperatuur

Dus hoe warmer het wordt hoe slechter het werkt.

Gemiddeld is de temperatuur van de huid zo'n 32°C

Dus dat zou betekenen dat het vanaf 32 °C niet meer zou werken en helemaal de mogelijke verkoelende werking.

[DeEchteKwartel]

Vanaf 32 graden wordt het verschil weer groter. Bij 40 graden zou hij beter werken dan bij 30, mits het beide kanten op kan

[u_nix_we_all]

Ik denk dat het met warm weer minder efficiënt is, omdat het verschil tussen lichaamstemperatuur en omgeving dan heel klein is. Het zal juist bij koud weer beter presteren lijkt me.

[cdwave]

Precies. En van die handschoen krijg je dus wel koude handen!

[Vastloper]

Dat kan bijna niet anders als je energie onttrekt. Wet van behoud van energie. Dus zomers wellicht fijne aktieve koeling, maar het doet me aan de andere kant ook denken aan "The Matrix" weer een stapje dichterbij....

[Reactie gewijzigd door Vastloper op 23 juli 2024 17:16]

[gjmi]

we kennen al heel lang peltier elementen die hetzelfde doen. Maar dat is met vaste metalen. Er word al lang onderzoek naar gedaan en zo byzonder is het niet.

Het levert alleen zo weinig op, dat het nooit meer zal opbrengen dan het geld dat in al die onderzoeken zit. Hopen dat er toevallig andere ontdekkingen gedaan worden. Dat klinkt pessimistisch, maar 0.3 microWatt bij 0.7 volt....

[GeoBeo]

Betekent dit dan ook gelijk dat die materiaal je lichaam wat helpt afkoelen? Kan wel fijn zijn met warm weer en inspanning

Ja, mits de omgeving kouder is dan je eigen lichaamstemperatuur. Anders gebeurt het omgekeerde.

Als het buiten warmer is dan 37 graden helpt dit materiaal dus bij het nog meer opwarmen van je lichaam

[Brandts]

Gemiddeld is de temperatuur van de huid zo'n 32°C

Edit: dit materiaal zet warmte om in elektriciteit. Het zal dus altijd warmte wegnemen

[Reactie gewijzigd door Brandts op 23 juli 2024 17:16]

[kikashi]

Het zal nog altijd veel efficienter zijn om het materiaal uit te doen als je wil afkoelen.

[GeoBeo]

Het zal nog altijd veel efficienter zijn om het materiaal uit te doen als je wil afkoelen.

Misschien wel, misschien niet.

Ligt aan welke interface de hoogste warmtegeleidingsweerstand heeft: huid naar lucht of huid naar dit materiaal (potentieel hogere warmtegeleiding + groter oppervlak) naar lucht.

[cdwave]

Nee, 't helpt niet. Nou ja, afgezien van die 3 microwatt dan. Ik dacht dat 't lichaam iets van 150W kon uitstralen, als die handschoen pakweg 1% bedekte is dat nog altijd een factor half miljoen te weinig...

[StefandeGroot]

En wanneer je in een omgeving bent die warmer is dan je lichaamstemperatuur? Werkt het dan andersom?

[Dets]

Ik denk het wel. Je moet dan de kleding binnenste buiten aan doen.

[Vastloper]

Je grapt er om, maar in feite heb je waarschijnlijk gelijk. De spanning zal negatief zijn ten opzichte van de originele situatie. Gelukkig kennen we in de elektrotechniek al sinds jaar en dag de gelijkrichterbrug om dat op te lossen.

[EHelmond]

het nadeel van de gelijkrichter die we sinds jaar en dag kennen is het het kenmerk dat er ongeveer 0,7 Volt spanningsval over is. dan hou je in dit geval effectief ongeveer eeehm 0 over

[svenvv2]

Gelukkig zijn er nog meer manieren om gelijk te richten dan conventionele diodes.
Bijvoorbeeld germanium diodes (0,3V) of MOSFET gelijkrichters (~0V)

[EHelmond]

klopt, je zou prima een MOSFET gelijkrichter kunnen maken, maar een gelijkrichter brug suggereert toch wel het gebruik van conventionele diodes. en de MOSFET gelijkrichter doet het bij 0,7 V voeding ook niet echt goed, dan heb je accu's nodig om de elektronica te voeden.

[Dream_ON]

kleding binnenstebuiten dragen

[cdwave]

Nou, de stroom loopt dan de andere kant uit. Aan de werking verandert niks.

[rko4u]

Dan heb je waarschijnlijk meer aan een zonnecel denk ik en waarschijnlijk op je parasol!

[mark-k]

Zou handig zijn als je de verloren energie van je telefoon die in warmte omgezet wordt hier ook mee kon terugwinnen, mijn telefoon is bij intensief gebruik warm genoeg om er een ei op te bakken.

[Verwijderd]

Lijkt me sterk. Je krijgt brandwonden bij 70 graden, eiwit stolt bij 80 graden.

[Verwijderd]

je kan al brandwonden krijgen bij temperaturen van minder 50 graden

[Alxndr]

De eiwitten in je lichaam bij 42 graden, daarom is hoge koorts ook zo gevaarlijk/dodelijk

[Aardappel]

63°C, eigeel 68°C.

Je kunt dus een eitje koken op 68-69°C maar trek daar wel een uurtje voor uit.
Resultaat is een snotterig ei, maar wel gekookt.

[Reactie gewijzigd door Aardappel op 23 juli 2024 17:16]

[The Third Man]

In welk opzicht noem je dat 'gekookt'?

[Aardappel]

Koken in de zin van voedselbereiding.
Niet in de wetenschappelijk definitie waarbij een temperatuur gelijk of groter dan het kookpunt bereikt wordt.

Akkoord?

[BLACKfm]

Als je telefoon ook zo warm blijft in de broekzak (is met een paar minuten wel afgekoeld) dan gaat die sowieso niet zo lang mee. Daarbij is het oppervlak in verhouding met het lichaam behoorlijk klein.

Dus dat zal geen zoden aan de dijk zetten...

[Speedfightserv]

Hierbij een howto hoe je zoiets zelf ook kan maken (niet voor kleding uiteraard.)
Dit geeft het principe duidelijk weer: https://www.youtube.com/watch?v=xaT2hqHgLdY

[Technomania]

En kan die kleding ook gewassen worden?

[djcasl]

Als je een waterdicht device hebt kun je hem meteen opladen als je lekker heet wast.

[irritantrotjoch]

Handig voor een gehoor apparaat.

[mashell]

Best wel een goed idee eigenlijk. Direct lichaamscontact en een apparaat waar elke wisseling van batterijen een verminderd gebruiksgemak betekent.

[style147]

Zou mooi zijn als je die energie zou kunnen opslaan op comfortabele wijze.
Ik denk dan aan kleine (draadvormige) batterij of een condensator die je kunt opladen zodat je opgewekte energie later kunt gebruiken.

[Aardappel]

Misschien wordt het nog wat als deze techniek te combineren is met de techniek die ook in kleding verwerkt kan worden maar de energie put uit bewegingen.

Die techniek is overigens al vrij oud.

[Titan_Fox]

Op zich hoeft het nog niet eens voldoende energie te zijn om je apparaat effectief op te laden. Je zou in ieder geval kunnen bereiken dat draagbare elektronica het langer vol houdt op een acculading omdat deze met een minimale laadstroom minder snel leeg loopt.