一种用于可穿戴和个人热管理的柔性热电材料

来源 | Energy Conversion and Management

原文 |

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

01背景介绍

热电器件(TEDs)因其能直接将热转化为电，以及易于调节的主动冷却能力而引起了人们的极大兴趣。近年来，可穿戴电子技术的快速发展扩大了TEDs的可能应用范围。一个方向是为小型可穿戴设备的不间断供电收集身体热量，因此TEDs可以作为可穿戴绿色电源。另一个方向是对人体进行降温，使皮肤保持舒适状态。相对于传统的集中空调系统，只需少量的人员就会消耗几千瓦的功率，个性化热管理的TEDs对于不同的个体来说，在功耗和舒适度调节方面更加高效。在此背景下，设备的灵活性和对人体皮肤的顺应性具有重要意义。通常，有不同的策略来获得TEDs的灵活性。一种是利用内在柔性热电(TE)材料来制造f- TEDs。虽然它们具有优越的内在柔韧性，但由于柔性TE材料的热电性能较低，使得它们无法通过收集人体热量来驱动可穿戴设备。另一种方法是通过蛇形金属线、银纳米线或液态金属等柔性电极连接高热电性能材料和TE材料，然后用柔性弹性体封装。虽然这些工作已经实现了相当大的可以驱动可穿戴设备的身体热发电，但大多数还没有实现对人体等任意几何形状的有效主动冷却。因此，开发一种能够同时实现高性能的身体热发电和主动冷却的可穿戴TED对于个人热管理具有重要意义。

02成果掠影

柔性热电器件(f- TEDs)可实现热与电的直接能量转换，在可穿戴柔性材料和个人热管理方面具有广阔的应用前景。然而，传统的由本质柔性热电材料制成的f- TEDs功率密度较低，而基于弹性体密封体热电材料的f- TEDs难以实现主动冷却。此外，这些f- TEDs通常不能自愈和回收，在可穿戴应用中容易发生断裂。

基于这些问题，郑州大学毛彦超教授联合河南农业大学理学院王亚玲副教授在柔性热电器件取得新的进展。

该团队通过将动态共价热固性聚亚胺与液态金属和热电器件集成在一起，开发了一种自修复和可回收的f- TED。该f- TED在标准化功率密度为1.54 μW/(cm2⋅k2)的时候，在7 ℃温差下，可以提供创纪录的13.8 ℃对个人冷却效果，具有3.91的优异的性能系数(COP)，并且具有低功耗的特点。在f-TED的基础上，进一步开发了一种个人热管理系统，可以使身体在不同的环境温度下保持在舒适的范围内，并实现对发热或扭伤踝关节的医疗保健功能。与传统热电器件相比，该f-TED可同时实现自愈性、可回收性、灵活性、标准化功率密度大、低功耗、高体表冷却效果。这种f-TED可以为开发可穿戴能量收集和个人热管理设备提供新的机会。

研究成果以“A self-healable, recyclable, and flexible thermoelectric device for wearable energy harvesting and personal thermal management”为题发表于《Energy Conversion and Management》。

03图文导读

图1.f-TED的设计与制备流程示意图。

 

图2.f-TED的电学性能。

 

图3.f-TED的冷却和加热性能。

 

图4.f-TED的可回收性和自愈性。

 

图5.f-TED的热管理性能。

审核编辑：汤梓红