可拉伸熱電器件利用人體廢熱發電實現健康檢測

一、背景介紹

由於當前能源消耗的增加和世界上化石燃料的匱乏,地熱能等可再生能源作為可持續的電力供應備受關註,此外工業生產及人體產生的大部分熱量都被浪費掉瞭。熱電發電機(TEG)可以將廢熱轉換成可用電能,進而通過廢熱回收幫助提高能源效率。此外,熱能收集可以為低功率的生物可植入和可穿戴設備提供基本的能源解決方案。

目前最廣泛使用的熱電(TE)材料是金屬氧化物和高摻雜金屬合金。制作TEG的傳統方法是區域熔化和熱壓,這兩種方法都會產生較高的品質因數(ZT)值。但是,能量轉換效率和輸出功率都與熱源和TEG之間的熱傳遞高度相關,尤其是在復雜而動態的表面上。由於傳統的平板結構的限制,TE材料無法與復雜和動態熱表面形成有效的接觸和熱傳遞。因此,TEG的廣泛應用受制於復雜和動態熱表面的熱傳遞效率。為瞭解決這個問題,研究人員制備出可以貼合簡單的曲面柔性TEG,但是,它們不適用於更復雜的不可展開和動態表面。此外,對於其他的TEG(通過3D打印和噴塗),動態表面的拉伸會導致這些TEG的電極形變過大而損壞。相比之下,可拉伸的TEG可以在動態表面上工作,但是目前的研究在於利用摻雜的矽或將TE材料沉積在紙/聚合物基材上,這樣會導致較高的內部電阻和較低的輸出功率密度。當前,如何制備可以在復雜和動態熱表面上使用的高功率TEG仍然是一個挑戰。

為瞭解決這一難題,武漢大學、南加州大學(USC)、聖地亞哥州立大學(SDSU)和加州大學聖地亞哥分校(UCSD)合作開發瞭一種可拉伸的TEG(S-TEG),它可以有效的貼合在各種復雜和動態的熱表面, 研究者測試瞭在動態的人體表面上該器件的可適用性以及利用S-TEG收集皮膚廢熱來給傳感器提供信號源以檢測運動狀態,心跳以及手勢等健康檢測活動。相關成果以“Stretchable Nanolayered Thermoelectric Energy Harvester on Complex and Dynamic Surfaces”為題,發表在《Nano Letters》上(Nano Lett. 2020, https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01225)。聖地亞哥州立大學機械工程系助理教授Yang Yang、加州大學聖地亞哥分校博士Hongjie Hu和中南大學教授陳澤宇為論文共同第一作者,武漢大學工研院副研究員王自昱、加州大學聖地亞哥分校助理教授Sheng Xu和南加州大學教授Yong Chen為論文共同通訊作者,參與者包括南加州大學教授Qifa Zhou, 博士後Laiming Jiang, Ruimin Chen, 博士Gengxi Lu, Jie Jin, Haochen Kang, 亞利桑那州立大學助理教授Xiangjia Li和武漢大學物理學院熊銳教授石兢教授

可拉伸熱電器件利用人體廢熱發電實現健康檢測

二、圖文導讀

圖1A顯示瞭從人體皮膚的廢熱中收集能量的25 mm × 25 mm的矽基體上的10 × 10 TE耦合陣列示意圖。制成的S-TEG由熱並聯且電氣串聯的p-n支腳制成。pn長方體與“島橋”佈局電極組裝在一起,嵌入在順應性和超拉伸性有機矽彈性體(Ecoflex)中(圖1B)。為瞭平衡熱電性能和器件的可拉伸性,將長方體的尺寸優化為1 mm × 1 mm × 0.8 mm,以顯示出較高的ΔT和較大的可拉伸性。可拉伸電極通過激光燒蝕制造。 器件整體可以折疊,拉伸和扭曲,而不會斷裂,顯示出對皮膚變形的高耐受力。

可拉伸熱電器件利用人體廢熱發電實現健康檢測
圖1. 可拉伸TEG(S-TEG)的設計和應用。(A)示意圖顯示瞭從人體皮膚的餘熱中收集能量的S-TEG;在該圖中,該器件的光學圖像和分解示意圖分別顯示瞭10 × 10陣列p-n對TE材料和一個單元的組件結構。(B)光學圖像顯示S-TEG的佈局(左)和蛇形電極的設計細節(右)。(C)不同厚度的Ecoflex的載荷-應變曲線(所有樣品的尺寸均為25 mm × 25 mm)。(D)模擬附著在凸面上的具有不同大小和厚度(長度在1-5 mm范圍內,厚度從0.1 mm到0.8 mm)的TE長方體塊的頂部和底部表面的溫差(ΔT)。

大多數柔性TEG隻能在可展開的表面上使用,但很難很好地附著在不可展開的表面上,特別是對於需要將設備拉伸30%至40%的肘部和關節。這裡進一步展示瞭S-TEG在不可展開的表面上的應用,通過將設備固定在90度彎頭和三通上(圖2)。結果表明,S-TEG在這些不可顯影的表面上具有出色的附著力和性能,這對傳統的平面和柔性TEG來說是具有挑戰性的。彎頭上S-TEG的開路電壓和每單位面積的輸出功率隨ΔT的增加而增加,在ΔT = 19.7 K時分別達到117 mV和0.15 mW / cm2(圖2E)。三通上的S-TEG開路電壓和功率分別為110 mV和137.5μW(ΔT= 18.9 K)(圖2F)。S-TEG在可展開和不可展開的熱表面上均具有出色的性能,這歸因於其出色的可拉伸性,可確保表面附著和來自廢熱的熱傳遞,這對於能量收集至關重要。

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圖2. S-TEG與復雜的靜態表面集成在一起。(A)示意圖顯示瞭帶有45°和90°彎頭、三通和十字接頭的熱水管。(B)在直徑為R1 = 28 mm的管上產生的Seebeck電壓,以及在管1上的各種溫差下的S-TEG的輸出電壓和功率。示意圖顯示瞭使用Comsol Multiphysics模擬的可展開表面上S-TEG的熱傳遞和輸出電壓(C )和常規平面TEG(D),顯示出S-TEG的更大熱量存儲和能量轉換。(E)S-TEG附在90度彎頭上,輸出電壓和功率隨溫度而變化。(F)S-TEG固定在三通上,輸出電壓和功率隨溫度變化,在不可展開的表面上顯示出S-TEG優異的熱電性能。

此外,S-TEG在人體皮膚上的測試表現出色,皮膚不僅復雜而且高度彎曲,而且具有動態時間特性。可穿戴設備在TEG中具有重要的應用,因為人體皮膚和環境溫度會提供一個自然的溫差,可以從中獲取能量(圖3A)。S-TEG還作為可穿戴設備的能源解決方案進行瞭測試。如圖3D顯示瞭將S-TEG與flex(彎曲敏感電阻器)和力傳感器(壓力敏感電阻器)串聯連接的示意圖和電子電路設計。力傳感器的初始電阻為R1 = 1MΩ,並且該電阻將隨著壓力的增加而減小。在R2 = 50 KΩ的恒定值下,輸出電壓隨壓力而變化。S-TEG用於從動感的人類手腕中收集能量。它為連接在胸部的力傳感器提供瞭一個電壓信號,以~ 27 mV的輸出電壓監測心率(圖5E)。

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圖3. 具有動態熱表面的S-TEG的性能。(A)人手指和手腕上S-TEG的紅外圖像,以在動態熱表面上演示該設備。(B)在人體動態表面上收集S-TEG的能量。(C)放大圖片顯示S-TEG在帶有拉伸電極和矽囊的彎曲手指上的附著。(D)作為可穿戴設備能源解決方案的S-TEG的演示和相關的電子電路設計。(E)安裝在與S-TEG相連的胸部上的力傳感器(力敏電阻)的快照(附在手腕上),以在不同時間檢測心率以進行健康監測,分別進行瞭休息,步行和奔跑測試,圖中將快照組合在一起。(F)與S-TEG連接的力傳感器(連接在手腕上),用於在工作和飲水(R2等於50KΩ)時檢測手指的壓力。(G)與S-TEG(連接在手腕上)連接的彎曲傳感器(彎曲敏感電阻器),用於檢測手指的運動和不同的手勢(R2等於10KΩ)。

三、亮點總結

總之,研究者介紹瞭一種可適應復雜和動態熱源表面的可拉伸TEG的設計和制造。將TE粉末的熱壓獲得p-n元素的高性能,並且波浪形的蛇形導電網絡為該設備提供瞭很大的拉伸性。柔性基板和電極可確保S-TEG在拉伸過程中在復雜形貌的熱表面上實現良好附著, 該S-TEG在可展開和不可展開表面上均顯示出優異的性能。它的性能明顯優於以前報道的STEG。從人體動態表面收集能量的S-TEG為可穿戴電子產品提供瞭一種潛在的能量解決方案。還可以通過將p-n耦合增加瞭一倍,或通過連接多個模塊以制造大型TEG設備並從日常生活和工業工程中收集廢熱的能量。

文章鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01225

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