可拉伸热电器件利用人体废热发电实现健康检测

一、背景介绍

由于当前能源消耗的增加和世界上化石燃料的匮乏,地热能等可再生能源作为可持续的电力供应备受关注,此外工业生产及人体产生的大部分热量都被浪费掉了。热电发电机(TEG)可以将废热转换成可用电能,进而通过废热回收帮助提高能源效率。此外,热能收集可以为低功率的生物可植入和可穿戴设备提供基本的能源解决方案。

目前最广泛使用的热电(TE)材料是金属氧化物和高掺杂金属合金。制作TEG的传统方法是区域熔化和热压,这两种方法都会产生较高的品质因数(ZT)值。但是,能量转换效率和输出功率都与热源和TEG之间的热传递高度相关,尤其是在复杂而动态的表面上。由于传统的平板结构的限制,TE材料无法与复杂和动态热表面形成有效的接触和热传递。因此,TEG的广泛应用受制于复杂和动态热表面的热传递效率。为了解决这个问题,研究人员制备出可以贴合简单的曲面柔性TEG,但是,它们不适用于更复杂的不可展开和动态表面。此外,对于其他的TEG(通过3D打印和喷涂),动态表面的拉伸会导致这些TEG的电极形变过大而损坏。相比之下,可拉伸的TEG可以在动态表面上工作,但是目前的研究在于利用掺杂的硅或将TE材料沉积在纸/聚合物基材上,这样会导致较高的内部电阻和较低的输出功率密度。当前,如何制备可以在复杂和动态热表面上使用的高功率TEG仍然是一个挑战。

为了解决这一难题,武汉大学、南加州大学(USC)、圣地亚哥州立大学(SDSU)和加州大学圣地亚哥分校(UCSD)合作开发了一种可拉伸的TEG(S-TEG),它可以有效的贴合在各种复杂和动态的热表面, 研究者测试了在动态的人体表面上该器件的可适用性以及利用S-TEG收集皮肤废热来给传感器提供信号源以检测运动状态,心跳以及手势等健康检测活动。相关成果以“Stretchable Nanolayered Thermoelectric Energy Harvester on Complex and Dynamic Surfaces”为题,发表在《Nano Letters》上(Nano Lett. 2020, https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01225)。圣地亚哥州立大学机械工程系助理教授Yang Yang、加州大学圣地亚哥分校博士Hongjie Hu和中南大学教授陈泽宇为论文共同第一作者,武汉大学工研院副研究员王自昱、加州大学圣地亚哥分校助理教授Sheng Xu和南加州大学教授Yong Chen为论文共同通讯作者,参与者包括南加州大学教授Qifa Zhou, 博士后Laiming Jiang, Ruimin Chen, 博士Gengxi Lu, Jie Jin, Haochen Kang, 亚利桑那州立大学助理教授Xiangjia Li和武汉大学物理学院熊锐教授石兢教授

可拉伸热电器件利用人体废热发电实现健康检测

二、图文导读

图1A显示了从人体皮肤的废热中收集能量的25 mm × 25 mm的硅基体上的10 × 10 TE耦合阵列示意图。制成的S-TEG由热并联且电气串联的p-n支脚制成。pn长方体与“岛桥”布局电极组装在一起,嵌入在顺应性和超拉伸性有机硅弹性体(Ecoflex)中(图1B)。为了平衡热电性能和器件的可拉伸性,将长方体的尺寸优化为1 mm × 1 mm × 0.8 mm,以显示出较高的ΔT和较大的可拉伸性。可拉伸电极通过激光烧蚀制造。 器件整体可以折叠,拉伸和扭曲,而不会断裂,显示出对皮肤变形的高耐受力。

可拉伸热电器件利用人体废热发电实现健康检测
图1. 可拉伸TEG(S-TEG)的设计和应用。(A)示意图显示了从人体皮肤的余热中收集能量的S-TEG;在该图中,该器件的光学图像和分解示意图分别显示了10 × 10阵列p-n对TE材料和一个单元的组件结构。(B)光学图像显示S-TEG的布局(左)和蛇形电极的设计细节(右)。(C)不同厚度的Ecoflex的载荷-应变曲线(所有样品的尺寸均为25 mm × 25 mm)。(D)模拟附着在凸面上的具有不同大小和厚度(长度在1-5 mm范围内,厚度从0.1 mm到0.8 mm)的TE长方体块的顶部和底部表面的温差(ΔT)。

大多数柔性TEG只能在可展开的表面上使用,但很难很好地附着在不可展开的表面上,特别是对于需要将设备拉伸30%至40%的肘部和关节。这里进一步展示了S-TEG在不可展开的表面上的应用,通过将设备固定在90度弯头和三通上(图2)。结果表明,S-TEG在这些不可显影的表面上具有出色的附着力和性能,这对传统的平面和柔性TEG来说是具有挑战性的。弯头上S-TEG的开路电压和每单位面积的输出功率随ΔT的增加而增加,在ΔT = 19.7 K时分别达到117 mV和0.15 mW / cm2(图2E)。三通上的S-TEG开路电压和功率分别为110 mV和137.5μW(ΔT= 18.9 K)(图2F)。S-TEG在可展开和不可展开的热表面上均具有出色的性能,这归因于其出色的可拉伸性,可确保表面附着和来自废热的热传递,这对于能量收集至关重要。

可拉伸热电器件利用人体废热发电实现健康检测
图2. S-TEG与复杂的静态表面集成在一起。(A)示意图显示了带有45°和90°弯头、三通和十字接头的热水管。(B)在直径为R1 = 28 mm的管上产生的Seebeck电压,以及在管1上的各种温差下的S-TEG的输出电压和功率。示意图显示了使用Comsol Multiphysics模拟的可展开表面上S-TEG的热传递和输出电压(C )和常规平面TEG(D),显示出S-TEG的更大热量存储和能量转换。(E)S-TEG附在90度弯头上,输出电压和功率随温度而变化。(F)S-TEG固定在三通上,输出电压和功率随温度变化,在不可展开的表面上显示出S-TEG优异的热电性能。

此外,S-TEG在人体皮肤上的测试表现出色,皮肤不仅复杂而且高度弯曲,而且具有动态时间特性。可穿戴设备在TEG中具有重要的应用,因为人体皮肤和环境温度会提供一个自然的温差,可以从中获取能量(图3A)。S-TEG还作为可穿戴设备的能源解决方案进行了测试。如图3D显示了将S-TEG与flex(弯曲敏感电阻器)和力传感器(压力敏感电阻器)串联连接的示意图和电子电路设计。力传感器的初始电阻为R1 = 1MΩ,并且该电阻将随着压力的增加而减小。在R2 = 50 KΩ的恒定值下,输出电压随压力而变化。S-TEG用于从动感的人类手腕中收集能量。它为连接在胸部的力传感器提供了一个电压信号,以~ 27 mV的输出电压监测心率(图5E)。

可拉伸热电器件利用人体废热发电实现健康检测
图3. 具有动态热表面的S-TEG的性能。(A)人手指和手腕上S-TEG的红外图像,以在动态热表面上演示该设备。(B)在人体动态表面上收集S-TEG的能量。(C)放大图片显示S-TEG在带有拉伸电极和硅囊的弯曲手指上的附着。(D)作为可穿戴设备能源解决方案的S-TEG的演示和相关的电子电路设计。(E)安装在与S-TEG相连的胸部上的力传感器(力敏电阻)的快照(附在手腕上),以在不同时间检测心率以进行健康监测,分别进行了休息,步行和奔跑测试,图中将快照组合在一起。(F)与S-TEG连接的力传感器(连接在手腕上),用于在工作和饮水(R2等于50KΩ)时检测手指的压力。(G)与S-TEG(连接在手腕上)连接的弯曲传感器(弯曲敏感电阻器),用于检测手指的运动和不同的手势(R2等于10KΩ)。

三、亮点总结

总之,研究者介绍了一种可适应复杂和动态热源表面的可拉伸TEG的设计和制造。将TE粉末的热压获得p-n元素的高性能,并且波浪形的蛇形导电网络为该设备提供了很大的拉伸性。柔性基板和电极可确保S-TEG在拉伸过程中在复杂形貌的热表面上实现良好附着, 该S-TEG在可展开和不可展开表面上均显示出优异的性能。它的性能明显优于以前报道的STEG。从人体动态表面收集能量的S-TEG为可穿戴电子产品提供了一种潜在的能量解决方案。还可以通过将p-n耦合增加了一倍,或通过连接多个模块以制造大型TEG设备并从日常生活和工业工程中收集废热的能量。

文章链接:

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

相关新闻

微信