CEJ: 利用紅外反射機制助力可穿戴熱電發電機

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第一作者：吳波

通訊作者：侯成義、李耀剛、王宏志

通訊單位：東華大學

DOI: 10.1016/j.cej.2022.139749

【導讀】

通訊技術例如5G的飛速發展正將人類文明帶入萬物互聯時代，所有的微電子依靠通訊技術進行信息連接。對于可穿戴應用，全天候的能源供應是決定微電子工作穩定性及影響穿戴者體驗的重要因素，為此多種穿戴能源方案例如柔性太陽能電池、摩擦納米發電機及濕氣發電等方案已經被提出。然后，這些柔性發電技術仍然受環境及人體等因素制約。

【成果掠影】

近日，東華大學先進功能材料課題組（AFMG）報道了一種可穿戴的熱電發電機，可以時時將人體余熱直接轉換為電能，并且在多種工作環境下展現出良好的穩定性。為實現器件的連續構筑，研究人員首先利用濕法加捻技術將商業碳納米管薄膜構筑成緊致的紗線，并將在高溫環境下改性的p-n連續紗線編織到硅膠基體中，最終在封裝層表面嵌入連續且均一的銀納米線。人體熱量主要通過紅外波段向外界輻射，而銀納米線具有優異的紅外反射率。因此，該工作中的銀納米線層可以反射人體紅外波段并在器件和人體皮膚之間建立保溫層，同時也降低熱電器件冷端的輻射加熱從而實現冷端溫度的降低。另外，硅膠的本征高發射率也是器件冷端低溫的主要原因。基于紅外反射機制，器件的輸出電壓提高了~35%。相關成果以“Stretchable thermoelectric generators with enhanced output by infrared reflection for wearable application”發表在知名期刊Chemical Engineering Journal上。東華大學博士研究生吳波為第一作者，侯成義研究員、李耀剛教授和王宏志教授為論文共同通訊作者

【數據概況】

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圖1. 銀蟻啟發的柔性熱電發電機中的輻射絕緣和冷卻機制。

(a) 銀蟻反射太陽光示意圖。(b)?人體熱量收集的示意圖。(c) 未封裝和封裝器件的傳熱機制。(d) 未封裝器件和 (e) 封裝器件的組裝配置概念圖。(f) 器件橫截面示意圖。

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圖2. p-n 熱電紗線的設計、制造和性能。

(a) 設計、制備過程和關鍵特性的示意圖。(b) 熱電紗線在矢量位置的塞貝克系數。(c) 熱電紗線的塞貝克系數、電導率和功率因數。(d) 紗線在300小時彎曲期間的電阻變化。(e) 紗線的真實應力-應變曲線。

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圖3. 封裝前后熱電器件的熱傳輸特性。

(a) 具有銀納米線涂層的熱電器件照片。(b) 器件的表面結構。(c) 銀納米線層的SEM圖像。(d) 具有熱輻射絕緣性能的銀納米線層示意圖。(e) 銀納米線層和有機硅基質的紅外反射光譜。(f) 器件的紅外照片。(g) 未封裝和封裝器件的頂部和底部溫度。(h) 未封裝和封裝器件的開路電壓。

圖4. 器件的穩定性和熱電性能。

(a) 封裝器件在初始、拉伸和扭曲狀態下的照片。(b) 器件處于初始、拉伸和彎曲狀態下的側面照片。(c) 器件在不同彎曲和拉伸比下的電阻。(d) 超過1000次拉伸循環的電阻和電壓穩定性。(e) 分別在 ΔT = 19, 38, 55 K 時測量的功率輸出與電壓的函數關系。 (f) 閉環中的負載電壓和電流作為溫差的函數。(g) 器件在不同溫度梯度下的最大功率輸出。

圖5. 熱電腕帶的可穿戴能量采集。

(a) 穿戴熱電腕帶的人體示意圖。(b) 附在手臂上的熱電腕帶的光學照片。(c) 在約10 K的溫度梯度下的功率輸出。(d) 附在手臂和腿上的熱電腕帶的紅外圖像。(e) 將熱電腕帶戴在手臂上時不同環境溫度下的開路電壓。(f) 佩戴者坐著、行走和跑步時熱電腕帶的開路電壓 (g) 熱電腕帶在水下工作時的照片。 (h) 熱電腕帶在水下操作時產生的開路電壓。

論文全文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722052287

本文由東華大學吳波供稿。