CEJ: 利用红外反射机制助力可穿戴热电发电机

第一作者：吴波

通讯作者：侯成义、李耀刚、王宏志

通讯单位：东华大学

DOI: 10.1016/j.cej.2022.139749

【导读】

通讯技术例如5G的飞速发展正将人类文明带入万物互联时代，所有的微电子依靠通讯技术进行信息连接。对于可穿戴应用，全天候的能源供应是决定微电子工作稳定性及影响穿戴者体验的重要因素，为此多种穿戴能源方案例如柔性太阳能电池、摩擦纳米发电机及湿气发电等方案已经被提出。然后，这些柔性发电技术仍然受环境及人体等因素制约。

【成果掠影】

近日，东华大学先进功能材料课题组（AFMG）报道了一种可穿戴的热电发电机，可以时时将人体余热直接转换为电能，并且在多种工作环境下展现出良好的稳定性。为实现器件的连续构筑，研究人员首先利用湿法加捻技术将商业碳纳米管薄膜构筑成紧致的纱线，并将在高温环境下改性的p-n连续纱线编织到硅胶基体中，最终在封装层表面嵌入连续且均一的银纳米线。人体热量主要通过红外波段向外界辐射，而银纳米线具有优异的红外反射率。因此，该工作中的银纳米线层可以反射人体红外波段并在器件和人体皮肤之间建立保温层，同时也降低热电器件冷端的辐射加热从而实现冷端温度的降低。另外，硅胶的本征高发射率也是器件冷端低温的主要原因。基于红外反射机制，器件的输出电压提高了~35%。相关成果以“Stretchable thermoelectric generators with enhanced output by infrared reflection for wearable application”发表在知名期刊Chemical Engineering Journal上。东华大学博士研究生吴波为第一作者，侯成义研究员、李耀刚教授和王宏志教授为论文共同通讯作者

【数据概况】

图1. 银蚁启发的柔性热电发电机中的辐射绝缘和冷却机制。

(a) 银蚁反射太阳光示意图。(b) 人体热量收集的示意图。(c) 未封装和封装器件的传热机制。(d) 未封装器件和 (e) 封装器件的组装配置概念图。(f) 器件横截面示意图。

图2. p-n 热电纱线的设计、制造和性能。

(a) 设计、制备过程和关键特性的示意图。(b) 热电纱线在矢量位置的塞贝克系数。(c) 热电纱线的塞贝克系数、电导率和功率因数。(d) 纱线在300小时弯曲期间的电阻变化。(e) 纱线的真实应力-应变曲线。

图3. 封装前后热电器件的热传输特性。

(a) 具有银纳米线涂层的热电器件照片。(b) 器件的表面结构。(c) 银纳米线层的SEM图像。(d) 具有热辐射绝缘性能的银纳米线层示意图。(e) 银纳米线层和有机硅基质的红外反射光谱。(f) 器件的红外照片。(g) 未封装和封装器件的顶部和底部温度。(h) 未封装和封装器件的开路电压。

图4. 器件的稳定性和热电性能。

(a) 封装器件在初始、拉伸和扭曲状态下的照片。(b) 器件处于初始、拉伸和弯曲状态下的侧面照片。(c) 器件在不同弯曲和拉伸比下的电阻。(d) 超过1000次拉伸循环的电阻和电压稳定性。(e) 分别在 ΔT = 19, 38, 55 K 时测量的功率输出与电压的函数关系。 (f) 闭环中的负载电压和电流作为温差的函数。(g) 器件在不同温度梯度下的最大功率输出。

图5. 热电腕带的可穿戴能量采集。

(a) 穿戴热电腕带的人体示意图。(b) 附在手臂上的热电腕带的光学照片。(c) 在约10 K的温度梯度下的功率输出。(d) 附在手臂和腿上的热电腕带的红外图像。(e) 将热电腕带戴在手臂上时不同环境温度下的开路电压。(f) 佩戴者坐着、行走和跑步时热电腕带的开路电压 (g) 热电腕带在水下工作时的照片。 (h) 热电腕带在水下操作时产生的开路电压。

论文全文链接：

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

本文由东华大学吴波供稿。