來源|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(fā)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(tài)。相對于傳統(tǒng)的集中空調(diào)系統(tǒng)，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(diào)節(jié)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(nèi)在柔性熱電(TE)材料來制造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，使得它們無法通過收集人體熱量來驅(qū)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(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)實現(xiàn)了相當大的可以驅(qū)動可穿戴設備的身體熱發(fā)電，但大多數(shù)還沒有實現(xiàn)對人體等任意幾何形狀的有效主動冷卻。因此，開發(fā)一種能夠同時實現(xiàn)高性能的身體熱發(fā)電和主動冷卻的可穿戴TED對于個人熱管理具有重要意義。

02成果掠影

柔性熱電器件(f- TEDs)可實現(xiàn)熱與電的直接能量轉(zhuǎn)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(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難以實現(xiàn)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(fā)生斷裂。

基于這些問題，鄭州大學毛彥超教授聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)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(tài)共價熱固性聚亞胺與液態(tài)金屬和熱電器件集成在一起，開發(fā)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/(cm2?k2)的時候，在7 ℃溫差下，可以提供創(chuàng)紀錄的13.8 ℃對個人冷卻效果，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。在f-TED的基礎上，進一步開發(fā)了一種個人熱管理系統(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)，并實現(xiàn)對發(fā)熱或扭傷踝關節(jié)的醫(yī)療保健功能。與傳統(tǒng)熱電器件相比，該f-TED可同時實現(xiàn)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(fā)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(fā)表于《Energy Conversion and Management》。

03圖文導讀

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。

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