一種用于可穿戴和個(gè)人熱管理的柔性熱電材料

來(lái)源|Energy Conversion and Management

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https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117017

01背景介紹

熱電器件(TEDs)因其能直接將熱轉(zhuǎn)化為電，以及易于調(diào)節(jié)的主動(dòng)冷卻能力而引起了人們的極大興趣。近年來(lái)，可穿戴電子技術(shù)的快速發(fā)展擴(kuò)大了TEDs的可能應(yīng)用范圍。一個(gè)方向是為小型可穿戴設(shè)備的不間斷供電收集身體熱量，因此TEDs可以作為可穿戴綠色電源。另一個(gè)方向是對(duì)人體進(jìn)行降溫，使皮膚保持舒適狀態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)的集中空調(diào)系統(tǒng)，只需少量的人員就會(huì)消耗幾千瓦的功率，個(gè)性化熱管理的TEDs對(duì)于不同的個(gè)體來(lái)說(shuō)，在功耗和舒適度調(diào)節(jié)方面更加高效。在此背景下，設(shè)備的靈活性和對(duì)人體皮膚的順應(yīng)性具有重要意義。通常，有不同的策略來(lái)獲得TEDs的靈活性。一種是利用內(nèi)在柔性熱電(TE)材料來(lái)制造f- TEDs。雖然它們具有優(yōu)越的內(nèi)在柔韌性，但由于柔性TE材料的熱電性能較低，使得它們無(wú)法通過(guò)收集人體熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)可穿戴設(shè)備。另一種方法是通過(guò)蛇形金屬線、銀納米線或液態(tài)金屬等柔性電極連接高熱電性能材料和TE材料，然后用柔性彈性體封裝。雖然這些工作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的可以驅(qū)動(dòng)可穿戴設(shè)備的身體熱發(fā)電，但大多數(shù)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)人體等任意幾何形狀的有效主動(dòng)冷卻。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能的身體熱發(fā)電和主動(dòng)冷卻的可穿戴TED對(duì)于個(gè)人熱管理具有重要意義。

02成果掠影

柔性熱電器件(f- TEDs)可實(shí)現(xiàn)熱與電的直接能量轉(zhuǎn)換，在可穿戴柔性材料和個(gè)人熱管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的由本質(zhì)柔性熱電材料制成的f- TEDs功率密度較低，而基于彈性體密封體熱電材料的f- TEDs難以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻。此外，這些f- TEDs通常不能自愈和回收，在可穿戴應(yīng)用中容易發(fā)生斷裂。

基于這些問(wèn)題，鄭州大學(xué)毛彥超教授聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院王亞玲副教授在柔性熱電器件取得新的進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將動(dòng)態(tài)共價(jià)熱固性聚亞胺與液態(tài)金屬和熱電器件集成在一起，開(kāi)發(fā)了一種自修復(fù)和可回收的f- TED。該f- TED在標(biāo)準(zhǔn)化功率密度為1.54 μW/(cm2?k2)的時(shí)候，在7 ℃溫差下，可以提供創(chuàng)紀(jì)錄的13.8 ℃對(duì)個(gè)人冷卻效果，具有3.91的優(yōu)異的性能系數(shù)(COP)，并且具有低功耗的特點(diǎn)。在f-TED的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種個(gè)人熱管理系統(tǒng)，可以使身體在不同的環(huán)境溫度下保持在舒適的范圍內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱或扭傷踝關(guān)節(jié)的醫(yī)療保健功能。與傳統(tǒng)熱電器件相比，該f-TED可同時(shí)實(shí)現(xiàn)自愈性、可回收性、靈活性、標(biāo)準(zhǔn)化功率密度大、低功耗、高體表冷卻效果。這種f-TED可以為開(kāi)發(fā)可穿戴能量收集和個(gè)人熱管理設(shè)備提供新的機(jī)會(huì)。

研究成果以“A self-healable, recyclable, and flexible thermoelectric device for wearable energy harvesting and personal thermal management”為題發(fā)表于《Energy Conversion and Management》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1.f-TED的設(shè)計(jì)與制備流程示意圖。

圖2.f-TED的電學(xué)性能。

圖3.f-TED的冷卻和加熱性能。

圖4.f-TED的可回收性和自愈性。

圖5.f-TED的熱管理性能。

審核編輯：湯梓紅