东华大学江莞团队《自然·通讯》：在柔性可穿戴热电器件的最新进展

随着移动电子产品的迅速普及和更新换代，可穿戴式供电器件成为当下研究热点。温差发电机（热电器件）可利用人体和周围环境之间的温差持续发电，无任何传动部件，有望为移动电子产品提供永久电源。织物智能化配置无疑是实现热电器件可穿戴性的最有效途径。然而，传统织物的二维结构只能收集平面内的热量，无法匹配人体与环境的热流方向，并且难以实现持续供电与肢体动作的兼容性，从而限制热电器件的可穿戴应用，成为困扰研究者多年的问题。尽管以绝缘基底作为支撑能有效改善热流方向匹配问题，但支撑基底牺牲穿戴体验，同时造成热量分流，降低输出。

针对热电器件难以实现真正可穿戴应用的问题，东华大学江莞教授、王连军教授和美国西北大学G.Jeffrey Snyder教授合作，巧妙利用弯曲纤维弹性力关系实现热电模块自支撑，构筑了三维可拉伸热电织物。该热电器件的拉伸应变可达80%，能实现持续供电与人体肢体动作的兼容性；基于热设计优化和结构优化，在44K温差下，输出功率密度可达70mWm-2；同时，可满足热电模块非可视化的大面积热量收集。所构筑三维热电织物穿戴体验良好，实现了适合人体运动的热电器件的可穿戴应用。相关论文以“热电纤维编织构筑可拉伸热电织物基发电机”为题，发表在《自然通讯》(2020,11,572)上。材料学院博士生孙婷婷为第一作者。

在这项工作中，研究团队首次提出基于静电喷射方法将π型热电单元精确集成到碳纳米管纤维上。静电喷射含不饱和键的掺杂剂可实现碳纳米管的高效n型掺杂及准确定位。

图1.热电纤维制备过程示意图及其性能.a-e, 热电纤维制备过程；f,热电纤维性能

进一步利用包缠技术有效避免热电模块短路，有限元分析及实际测试结果表明，绝缘包缠层可增加热电臂两端温差及流经热电臂的热流，从而提升输出性能。

图2.有限元分析结果.a,温差；b, 流经热电臂的热流

器件集成上，研究团队巧妙利用嵌套线圈之间弹性力关系使热电模块自支撑于三维空间，实现人体与环境热流方向上的热端并联电端串联，从而构筑三维可拉伸热电织物，该器件无需支撑基底，可避免输出性能和穿戴体验的牺牲。在拉伸和拉伸恢复过程中热电模块直立角度变化从而赋予热电器件>80%的拉伸应变能力及应变恢复能力，且不损耗输出性能。基于此，该器件实现了持续供电与人体肢体动作的兼容性。最终，经结构优化后，器件的最大输出功率密度可达35μWm-2K-2。

图3.热电器件集成示意图及其性能. a,热电器件集成示意图；b,热电器件拉伸过程示意图；c,拉伸应变对输出电压的影响；d,热电器件持续供电与人体肢体动作兼容性；e,热电器件输出功率密度.

本工作提出的静电喷射方法对于制备π型碳纳米管基热电模块具有普适性；巧妙利用弯曲纤维弹性力关系使绝缘包缠的热电模块自支撑，不仅有效解决了传统器件热流方向的匹配问题，而且满足持续供电与人体肢体动作的兼容性，实现了热电臂微型化紧凑集成及热电模块非可视化的大面积热量收集，同时巧妙整合了织物的保温功能和热电器件的传热需求，极大提高了热电器件的可穿戴性和输出性能，输出功率密度可达35μWm-2K-2。本工作为柔性热电器件的真正可穿戴应用提供了可行的新途径。该研究得到了国家自然科学基金项目和上海市科委项目的资助。

来源：东华大学

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