來源 | Energy Conversion and Management
原文 | https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117017
背景介紹
熱電器件(TEDs)因其能直接將熱轉化為電，以及易于調節的主動冷卻能力而引起了人們的極大興趣。近年來，可穿戴電子技術的快速發展擴大了TEDs的可能應用范圍。一個方向是為小型可穿戴設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。另一個方向是對人體進行降溫，使皮膚保持舒適狀態。相對于傳統的集中空調系統，只需少量的人員就會消耗幾千瓦的功率，個性化熱管理的TEDs對于不同的個體來說，在功耗和舒適度調節方面更加高效。在此背景下，設備的靈活性和對人體皮膚的順應性具有重要意義。通常，有不同的策略來獲得TEDs的靈活性。一種是利用內在柔性熱電(TE)材料來制造f- TEDs。雖然它們具有優越的內在柔韌性，但由于柔性TE材料的熱電性能較低，使得它們無法通過收集人體熱量來驅動可穿戴設備。另一種方法是通過蛇形金屬線、銀納米線或液態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。雖然這些工作已經實現了相當大的可以驅動可穿戴設備的身體熱發電，但大多數還沒有實現對人體等任意幾何形狀的有效主動冷卻。因此，開發一種能夠同時實現高性能的身體熱發電和主動冷卻的可穿戴TED對于個人熱管理具有重要意義。
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成果掠影
柔性熱電器件(f- TEDs)可實現熱與電的直接能量轉換，在可穿戴柔性材料和個人熱管理方面具有廣闊的應用前景。然而，傳統的由本質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難以實現主動冷卻。此外，這些f- TEDs通常不能自愈和回收，在可穿戴應用中容易發生斷裂?；谶@些問題，鄭州大學毛彥超教授聯合河南農業大學理學院王亞玲副教授在柔性熱電器件取得新的進展。該團隊通過將動態共價熱固性聚亞胺與液態金屬和熱電器件集成在一起，開發了一種自修復和可回收的f- TED。該f- TED在標準化功率密度為1.54 μW/(cm
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2)的時候，在7 ℃溫差下，可以提供創紀錄的13.8 ℃對個人冷卻效果，具有3.91的優異的性能系數(COP)，并且具有低功耗的特點。在f-TED的基礎上，進一步開發了一種個人熱管理系統，可以使身體在不同的環境溫度下保持在舒適的范圍內，并實現對發熱或扭傷踝關節的醫療保健功能。與傳統熱電器件相比，該f-TED可同時實現自愈性、可回收性、靈活性、標準化功率密度大、低功耗、高體表冷卻效果。這種f-TED可以為開發可穿戴能量收集和個人熱管理設備提供新的機會。研究成果以“A self-healable, recyclable, and flexible thermoelectric device for wearable energy harvesting and personal thermal management”為題發表于《Energy Conversion and Management》。
圖1.f-TED的設計與制備流程示意圖。
圖2.f-TED的電學性能。
圖3.f-TED的冷卻和加熱性能。
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圖4.f-TED的可回收性和自愈性。
圖5.f-TED的熱管理性能。
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