隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷增長，便攜式分布式電源的需求量很大。各種能量收集技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來，其中，熱電發(fā)電機（TEG）通過塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，具有長期供應(yīng)、免維護等等優(yōu)勢。因此，兼容性熱電發(fā)電機(TEG)在可穿戴式自供電電子產(chǎn)品應(yīng)用前景十分寬廣。然而，其彈性封裝材料與接觸物體之間的熱阻較大，導(dǎo)致其傳熱效率較低，從而嚴(yán)重降低了熱功率。由于整個聚合物體系存在較高的寄生熱損失，這對有機TEG(oTEG)來說是一個更具挑戰(zhàn)性的問題。

為解決該問題，來自北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com北京航空航天大學(xué)的王瑤副教授和鄧元教授團隊以有限元分析為指導(dǎo)，在不影響oTEG柔韌性的前提下，研制了一種以聚二甲基硅氧烷為基體的銅包覆復(fù)合材料作為熱界面層，其具有導(dǎo)熱系數(shù)高、熱阻小等優(yōu)點，最大溫差利用率達到86%，結(jié)果顯示，這種oTEG的性能比常規(guī)的提高了75.5%。作為概念驗證，本文將50對p/n多孔聚氨酯/單壁碳納米管TE腿集成到設(shè)計的基板上，并且不需要進一步的封裝，進而對不同熱狀態(tài)下的輸出特性進行了仿真和實驗，結(jié)果表明兩者具有很好的一致性。在不同變形條件下的現(xiàn)場輸出性能試驗表明，oTEG具有良好的機械穩(wěn)健性。最后，對oTEG作為體熱集熱器和環(huán)境溫度傳感器的功能進行了演示。出色的性能證明了熱接口設(shè)計策略在促進oTEG作為可穿戴電子產(chǎn)品應(yīng)用方面的成功。相關(guān)工作以題為High-performance Stretchable Organic Thermoelectric Generator via Rational Thermal Interface Design for Wearable Electronics的研究性文章在《Advanced Energy Materials》上發(fā)表。

TEG/皮膚的熱阻模型

用于模擬的熱阻模型如圖1a所示，本文詳細討論了這些參數(shù)對溫度利用率的影響。在該模型中，熱源(TH)通過熱端熱阻(RH)、熱端熱阻(Rleg)和冷端熱阻(RC)流向冷環(huán)境溫度(TC)。TH和TC之間的oTEG系統(tǒng)的總溫差為ΔTHc，TE腿的熱側(cè)(Ta)和冷側(cè)(Tb)之間的有效溫差定義為ΔTab。溫差利用率?th表示為

如上述方程所示，可以利用降低RH、增加Rleg或降低RC的因素來促進?th。

圖1.oTEG系統(tǒng)的熱阻模型

皮膚用的導(dǎo)熱可伸縮基板的設(shè)計

圖2a顯示了在有和沒有鍍銅的情況下ΔTab隨襯底厚度和導(dǎo)熱系數(shù)變化的有限元模擬?？梢郧宄乜吹?，由于RTCR值的顯著降低，額外的金屬涂層在保持襯底的熱導(dǎo)率上的較大ΔTab方面變得更加重要。在有限元仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，通過圖2b所示的策略設(shè)計了一個高效的熱接口。首先，選擇了同時具有高導(dǎo)熱和電絕緣性能的氮化硼(BN)微板作為填充材料來提高PDMS的導(dǎo)熱性能。當(dāng)BN微板在不同方向表現(xiàn)出高度各向異性的導(dǎo)熱行為時，將Fe3O4納米顆粒修飾在BN上(即BN@Fe3O4)，從而利用磁場輔助對準(zhǔn)BN微板，最終有效地提高PDMS的導(dǎo)熱性能。然后，在復(fù)合材料上涂覆高導(dǎo)電性的Cu金屬層，形成PdMS/BN@Fe3O4/Cu熱界面。復(fù)合基板的加工如圖2c所示。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

圖2. oTEG的有限元模擬比較

圖3.具有50對TE腿的TEG裝置的配置示意圖

oTEG的輸出性能

為了研究oTEG的發(fā)電性能，本文結(jié)合有限元模擬在不同的熱條件下進行了輸出測量。在強制冷卻的情況下，冷端固定在293K，熱端固定在343K，圖4a顯示了整個oTEG的溫度分布。在這種情況下，即在強制冷卻條件下，ΔT=50K時，相應(yīng)的開路電壓(VOC值)為203mV。圖4b顯示了在不同給定ΔT下相同熱條件下的實驗測量電流-電壓曲線。在ΔT=50K時，VOC和最大輸出功率(Pmax)分別為203.7 mV和2.17 μW，與仿真結(jié)果吻合較好。另外，本文還在ΔT=50K下進行了超過104s的持續(xù)輸出測試，結(jié)果表明oTEG在長期使用中是穩(wěn)定的。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

圖4.不同熱條件下oTEG的溫度分布和輸出特性的有限元模擬

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圖5.采用/不采用熱接口設(shè)計的OTEG輸出性能的實驗結(jié)果比較

圖6.本研究與最近報道的oTEG之間的電壓與歸一化功率密度的比較。

oTEG的機械可靠性

機械穩(wěn)定性是oTEG可穿戴應(yīng)用的另一個重要要求。為了了解oTEG在身體運動(如彎曲和拉伸)中常見的大變形下的穩(wěn)定性，本文對這種機械變形條件下的穩(wěn)定性進行了模擬。如圖7a所示，在彎曲半徑(r)為6.7 mm的嚴(yán)重彎曲條件下，裝置的實際承受應(yīng)變不超過4%(壓縮和拉伸)，表明裝置的彎曲剛度低，變形能力大。當(dāng)以40%的應(yīng)變拉伸oTEG時，從圖7b的放大視圖可以看出，TE腿附著在底部電極與襯底相接的接頭沿拉伸方向遭受了大部分變形。節(jié)點的最大應(yīng)變約為108%，其他部位的應(yīng)變均小于65%，均低于破壞應(yīng)變，也就保證了結(jié)構(gòu)在大應(yīng)變下的穩(wěn)定性。

圖7.oTEG應(yīng)變分布的有限元分析結(jié)果

oTEG在人體皮膚上的穿戴性能北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

為了評價優(yōu)化后的oTEG的實用性能，將其戴在人體手腕上進行功能檢測。如圖8a所示，在室溫23℃的靜態(tài)環(huán)境下，從紅外圖像記錄的整個oTEG的實際ΔT可以達到6℃。相應(yīng)的VOC為16.3 mV，如圖8b所示。為了消除裸露皮膚的被動散熱，并增強穿戴體驗，本文將oTEG與棉質(zhì)腕帶相結(jié)合。相應(yīng)的VOC增加到19.8 mV，如圖8c所示，這是由于腕帶的保溫效應(yīng)。如圖8d所示，在室外環(huán)境(即23℃有風(fēng))下佩戴oTEG時，VOC進一步增加到32.0 mV。

圖8. 在人體安裝的oTEG性能。

小結(jié)：北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com本文在有限元模擬的指導(dǎo)下設(shè)計了涂覆一層薄銅層的可伸縮復(fù)合材料PdMS/BN@Fe3O4作為熱界面層，大大提高了接觸物體與熱界面間的傳熱能力，最大?th達到86%，比沒有熱界面層設(shè)計的熱界面高75.5%。將50對P/N多孔PU/SWCNT TE腿集成到一個可穿戴的oTEG中，并在靜態(tài)環(huán)境下建立了溫差ΔT=6℃進行實驗，結(jié)果顯示，其性能遠遠超過了最先進的可穿戴TEG。oTEG在實際條件下作為人體集熱器和環(huán)境溫度傳感器的高性能，以及在各種變形下的機械穩(wěn)定性，清楚地表明了熱界面設(shè)計策略的重要性，進一步促進了oTEG在可穿戴電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

全文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102835

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