南科大 Adv. Sci.：高出近10倍！leaf-TEG在环境空气中实现高温差利用率和输出效率

【背景介绍】

热电发电机（Thermoelectric power generation, TEG）通过直接利用来自环境的温差提供了便捷的电力，用于物联网（IoT）传感器和可穿戴电子器件。在可穿戴领域中，柔性对TEG器件至关重要。其中，具有柔性电极的Bi₂Te₃基TE支架有最高的输出功率，但其舒适性有限。将液态金属将器件连接起来，并固定在手腕上，在24 ℃的环境温度下分别产生1.47 mV和0.37 µW cm^-2的最大电压和功率。但是通过TE支架的最大温差（T_TEG）仅为0.4 ℃，具有较高温差利用率的φth是T_TEG与散热器和蓄热器之间的可用温差（∆T）之比，即φ_th=T_TEG/∆T，换言之φ_th=5%。基于纤维的柔性TEG增加了纤维编织TEG的柔性，但其输出功率较低。同时，这些报告的功率密度数据是基于理想恒温边界条件下的接触传热模式，而不是实际的可磨损工作环境。目前，大多数基于柔性薄膜的TEGs具有平面结构，所有的TE支架和金属互连都位于基板上以获得温度差。在室内环境中，人的皮肤和空气之间的T通常约为10 ℃，而对于带有散热片的常规散装器件，TE材料（∆T_TE）上的温差仅约1 ℃，即φ_th=10％。因此，通过考虑TEG器件、热源和散热器之间的热交换，通过系统级设计来增加TE材料上的温差至关重要。此外，很少报道关于基于垂直组装薄膜的TEG。

【成果简介】

近日，南方科技大学刘玮书副教授（通讯作者）等人受到禾本科植物柔性叶片的启发，报道了一种叶片型柔性热电发电机（leaf-TEG），该发电机通过使用p-型有机聚（3, 4-亚乙基二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）和n-型无机铜镍合金薄膜垂直排列组装而成。这种leaf-TEG结构具有散热片的优点，可以最大限度地利用实际环境中的温差。通过得出的性能指标分析公式，如温差利用率（φ_th）和最大输出功率（P_max），以优化leaf-TEG的尺寸。在实验上，作者设计了一种可调风速和温度的风道，用于发电测试。在风道（基材：36 ℃，空气：6 ℃，空气流量：1 m s^-1）中，10-leaf-TEG的φ_th为73％，每叶片的P_max为0.38 µW。作为概念验证，可穿戴100-leaf-TEG（60 cm²）在室温下可以在手臂上产生11 µW的功率。此外，通过1000多次弯曲和磨刷测试，证明了leaf-TEG具有很好的柔性和耐用性。所提出的leaf-TEG非常适合温度差有限的空气对流场景。最后，作者还进行了手掌触摸、嘴吹和戴在手臂上的发电测试，表明所提出的leaf-TEG有利于从环境空气中收集能量。研究成果以题为“Leaf-Inspired Flexible Thermoelectric Generators with High Temperature Difference Utilization Ratio and Output Power in Ambient Air”发布在国际著名期刊Adv. Sci.上。

【图文解读】

图一、leaf-TEG的结构和温度分布
a）草叶和TE柔性薄膜；

b）leaf-TEG在磨损条件下工作的机理；

c）所提出的leaf-TEG的详细结构示意图；

d）TE-leaf的扫描电子显微镜照片（侧视图）；

e）Leaf-TEG与10片背对背TE成对组装；

f-g）在加热板上（36 °C）的室温（≈25°C）下，leaf-TEG的静态和空气流动速率为0.5 m s^-1的红外照片；

h）leaf-TEG的温度分布以热流为导向。

图二、空气温度和流速对leaf-TEG输出功率的影响
a）实验室制备的风道系统，可用于调节T_air和V_air；

b-e）在T_air=6 °C、不同风速（0.2、0.5和2.0 m s^-1）和不同长度条件下，leaf-TEG的内部电阻R_i、开路电压V_oc、温差利用率φ_th以及最大输出功率P_max；

f）最大输出功率随空气温度而变化；

g）在测试条件（T_air=6-29 °C，V_air=0.15-2.0 m s^-1，L=5、10、15和20 mm）下，最大leaf-TEG的最大P_max和相应的φ_th。

图三、Leaf-TEG的灵敏度、柔性和耐用性
a）定期吹冷空气对空气温度波动的敏感性示意图；

b）Leaf-TEG和市售带有散热片的刚性TEG模块的响应特性和灵敏度的时序图，用于冷却空气温度；

c）耐久性测试过程的示意图，加热块为36 °C；

d）在一个TE-Leaf上进行1000次双向刷洗时，记录总体和详细的开路电压；

e）在1000次以上的弯曲测试后，其可靠性和柔性（弯曲半径：2 mm）。

图四、在室温下，人体热量驱动的100-leaf-TEG的响应和性能测量
a）100-leaf-TEG的概念证明和人体热量的三种实际能量收集模式：手掌触摸、嘴吹和戴在手臂上。

b-c）在手掌触摸和嘴吹模式下，其开路电压和相应的P_max；

d-e）步行和站立时手臂上的100-leaf-TEG的开路电压和相应的φ_th，以及输出功率；

f）对比几个文献数据点，leaf-TEG的归一化输出性能。

【小结】

综上所述，作者通过使用垂直排列的PEDOT：PSS/铜镍合金薄膜对，制备了的leaf-TEG。同时，作者提出了温差利用率φ_th作为这种新型TEG的性能指标。在风道（基材：36 ℃，空气：6 ℃，空气流量：1 m s^-1）中，10-leaf-TEG的φ_th为73％、P_max为0.38 µW/叶片，优化的TE-leaf长度L为10 mm。在V_air=0.5 m s^-1、T_sub=36 ℃和T_air=25 ℃的室内环境中，当L为20 mm时，φ_th达到85％，比商用有散热片的TEG（φ_th=9％）高出近10倍。在弯曲1000次前后，其内阻变化在2％以内，基本可以忽略不计。在室内环境中，在硅橡胶基底（7.8×7.8 cm²）上，可穿戴式100-leaf-TEG（100片，L=10 mm）在手掌触摸、嘴吹和戴在手臂上的场景中可分别产生1、4和11 µW的输出功率。对于从环境中获取热能，特别是在有限温差和对流换热条件下，所提出的leaf-TEG是一种很有前途的候选方案。

文献链接：Leaf-Inspired Flexible Thermoelectric Generators with High Temperature Difference Utilization Ratio and Output Power in Ambient Air. Adv. Sci., 2021, DOI: 10.1002/advs.202004947.

本文由材料人CQR编译。

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