以环境能量燃料电池为无线物联网供电

以环境能量燃料电池为无线物联网供电

邓灵茜,张思,阮启冲

武汉东湖学院

摘要：物联网技术和市场都在快速增长，许多的物联网设备电池都跟不上时代的步伐。业界迫切需要一种更简单、易用、寿命长的物联网电池优化方案。。为了实现无线物联网，达到物品永久供电的目的，可采用大自然中取之不尽，用之不竭的环境能量——风能、热能、光能，利用环境能量发电，通过燃料电池的方式储能，为无线物联网供电，提供永久电力。

关键词：电池 环境能量 燃料电池 供电

物联网（ IoT ，Internet of things ）即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络，实现任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通[1]。为了实现无线物联网就不得不使用一种供电方式来为物品供电。近些年来受到国际贸易战的影响，电池制造材料进口显著减少，传统电池企业发展陷入“高投入，低产出，低盈利”的困局之中[2]。目前解决这一问题的方案主要为使用电池供电来满足无线物联的需求。本文主要浅论可以满足无线物联网电池的使用和创新。

1、目前物联网电池的现状

电池是一个被物联网产业所忽视的一个环节，但事实上，对于大部分场景下的物联网设备来说，都是采用电池供电的模式，现有低功耗物联网技术大部分需普通电池或纽扣电池供电，百亿级物联网节点意味着需要消耗百亿级电池，这并不符合低碳经济的要求[3]，这就意味着目前已经数以亿计的物联网设备都在担心电池没电的问题。

目前市场上的无线物联网传感器多使用锂电池技术，很难达到设备长期稳定使用的要求，尽管物联网传感器节点有些可以利用能量收集来提供电力，但是这些能量通常很小，而且这些可用的能量通常不可靠。传感器的节点一般要用一些暂时的地方存储能量,方便其在工作或者读取信息或发送消息时能有所准备。面临这些问题，解决思路之一是提供小型可充电电池或存储电容器。然而，这些存储机构具有其自身的缺点，这些弊端会限制它们的有用性。

2、目前物联网电池存在的弊端

2.1电源容量有限

一节充满电的电池用200mA电流放电可以持续10小时，将电流与时间相乘我们就可以得到这节电池的容量是2000mA.H。如果将它用400mA放电，则可用时间为5小时。故需要频繁充电就很麻烦。

2.2电池的自放电

可充电电池在几百次充电-放电循环后老化直至损坏且需要及时地进行更换，并且超级电容器不仅会随着时间改变它们的特性而且还会快速自放电。自放电量每天可高达20%，导致大部分转换后的能量被浪费掉。

2.3电池制造的成本比较高昂

电池故障前需要考虑电池订购、收货、核算和库存的相关交易成本；电池故障时，需要考虑设备功能失效带来的其他成本；电池更换后，需要考虑废物处理成本及额外的环境成本等。同时，维护电池供电设备的劳动力成本也非常高。

2.4易造成环境污染

受限于一定的使用寿命，锂电池退役潮也随之来袭，废旧锂电池不仅会造成资源浪费还会产生严重的环境污染[4]。

3、环境能量燃料电池

所谓的环境能量燃料电池主要就是以环境能量的形式，从“环境能量发电”的视角出发，以环境热能、光能、风能为能源，实现温差发电，光能转电，风能转电，以燃料电池的方式储能，为无线物联网传感器设备提供永久电力，彻底解决频繁更换电池的痛点，推动绿色节能发展。

3.1原理

而环境能量电池就是以燃料电池为原型，将其中的催化元件用环境中的能量代替的一种电池。它从本质上来说就是在需要的时候直接产出电能，而取消了中间将电池储存后又放出的过程，因此便完美的解决了电池的自放电问题。使得电池的使用效率大大提高。其具体的供电特点如下。

借鉴燃料电池的供电特点，燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

类比可以得到环境能量电池的供电特点即通过吸收周围环境中的热能、光能后，以此激活燃料电池中正负极上的化学反应。即通过提高反应吸收的能量来替代反应所需要的催化元件，以达到燃料电池中反应启动来将化学能转化成电能。

3.2环境能量燃料电池可解决传统电池使用中的问题

1、可以解决一次电池容量小，使用后需更换，二次电池使用后需充电的问题。环境能量电池可以在环境能量充足的情况下，仅对其补充燃料和氧化物便可以一直产生电能和对外释放电能。

2、可以解决电池自放电的问题。电池自放电的主要成因还是由于电池的制作工艺，现有传统电池的制作主要是用容器将能产生电能的化学反应的原料装起来，而只要两者接触就会发生反应，因此会造成电池的自放电。而当我们在不需要用电时，不向环境能量电池中注入燃料和氧化物，没有反应物，就不会有反应，便解决了电池自放电问题，提高了电池的使用效率和使用寿命。

3、可以解决电池使用后处理成本高的问题。传统电池主要以金属和酸为反应物，使用后若不当处理，会破坏环境。而好好处理又会产生费用。环境能量电池则可以使用任何可以发生氧化还原反应的物质，在吸收了足够的化学热后便会发生反应，解决了电池使用后对环境的威胁问题。

4、总结

物联网的发展是当代社会发展的新趋势，而实现无线物联更是物联网发展的重中之重。因此如何实现为物联网物品的长期甚至永久供电是实现无线物联网的关键一步。环境能量电池的研发，是物联网行业发展的重要一步。借助环境能量，物联网行业可以拥有“永久电池”寿命或根本不需要电池，从而为物联网开辟了更多新的可能。未来，这些物联网行业可能不再受限于电池并且更具成本效益。

参考文献

[1]贾益刚. 物联网技术在环境监测和预警中的应用研究[J]. 上海建设科技, 2010(6):65-67.

[2]张霞,张舵.从新能源电池企业扶持政策谈企业战略管理[J].电池,2022,52(06):726-727.

[3]赵小飞,郭家萌.无源物联网应用前景展望[J].中国电信业,2022,(10):70-74.

[4]蒋龙进,张顺,乔羽,刘臣臻,饶中浩.废旧锂电池负极石墨失效机制及回收利用研究进展[J].储能科学与技术:1-14.

[1] [1]贾益刚. 物联网技术在环境监测和预警中的应用研究[J]. 上海建设科技, 2010(6):65-67.

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[3] [3]赵小飞,郭家萌.无源物联网应用前景展望[J].中国电信业,2022,(10):70-74.

[4] [4]蒋龙进,张顺,乔羽,刘臣臻,饶中浩.废旧锂电池负极石墨失效机制及回收利用研究进展[J].储能科学与技术:1-14.