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随着“物联网”纵深发展，构建传感网络的各类电子器件对供能电源的需求激增。热电器件（TEG）利用Seebeck效应实现热能和电能的直接转换，是一种极有潜力的长效免维护电源，尤其在可穿戴电子器件中，TEG利用人体与环境的温差发电为低功耗电子器件实现“自供电”。然而，当前TEG应用于人体体温发电的瓶颈除了传统热电器件的结构刚性，柔性化往往以降低输出性能为代价，还存在TEG与皮肤间极低的热传输效率，导致实际应用环境下TEG两端建立的温差不到1℃，严重阻碍了TEG作为可穿戴自供能电源的应用。这一方面源于为满足可穿戴器件的柔性要求，通常采用弹性聚合物封装刚性器件，而弹性聚合物差的热传导性严重影响了热从皮肤传导到TEG热端以及冷端与空气对流散热的能力；另一方面也源于可穿戴热电器件轻、薄、小的尺寸要求，不能通过增加电臂厚度提高TEG两端实际建立的温差。 相比于无机热电材料，有机热电材料具有本征柔性和数量级低的热导率，在可穿戴热电器件中极有应用潜力。北京航空航天大学材料科学与工程学院王瑶、邓元团队在柔性热电器件方面做出了一系列工作，例如：解决了三维有机热电器件构筑难题以实现与皮肤热流匹配，进一步与压电单元集成，实现了一种具有压力和温度独立响应、互无干扰及主动传感特点的电子皮肤 （Adv. Energy Mater.2020, 2001945）；发展了一种基于商用Bi2Te3、Sb2Te3热电材料的可回收、可修复、可拉伸的高功率热电器件，归一化功率密度达1.08 μW/cm2·K2，为发展高效、可持续的绿色能源技术提供了一种十分有潜力的方案（Adv. Energy Mater.2021, 11,2100920）。有机材料本征低的热导率虽有利于建立温差，却依然存在界面热损耗大的难题，且热传输效率比无机体系更低；如何降低有机热电器件界面热损耗、提高在人体体温发电实际应用环境下的输出性能成为一大挑战。 近日，王瑶、邓元等在Advanced Energy Materials上发表了题为“High-performance Stretchable Organic Thermoelectric Generator via Rational Thermal Interface Design for Wearable Electronics”的研究论文。针对有机热电器件难以利用人体体温建立大温差、严重降低其热电输出性能的难题，本工作以热电器件/人体皮肤界面的热传输仿真计算为指导，设计了一种PDMS/BN@Fe3O4/Cu热界面复合材料，将温差利用率提高至86%，比常规弹性聚合物封装器件提高了75.5%。在仿真计算指导下进一步优化有机热电器件结构参数，制作了50对多孔PU/SWCNT复合材料为P/N热电臂的热电器件，贴附于人体手臂上，在室温静态环境下即可建立6 °C温差，显著优于现有的可穿戴热电器件，这为TEG真正走向人体体温应用环境的柔性电子器件迈出了重要一步。 热界面复合材料的特征是在弹性聚合物PDMS中复合磁性Fe3O4纳米颗粒修饰BN微米片，经过磁场诱导取向使BN微米片的高热导率方向沿热流方向提高导热能力，在PDMS/BN@Fe3O4复合材料表面镀一层高热导率金属Cu层，形成PDMS/BN@Fe3O4/Cu热界面层，降低与皮肤的界面热阻。通过热仿真计算可知，集成于该热界面层的TEG相较于基于PDMS传统TEG器件所建立的实际温差显著提升。以结构优化的50对P/N多孔PU/SWCNT热电臂组装oTEG为例，采用热界面层时，外加10 K温差下，器件两端实际建立的温差DTab为8.6 K，而仅用PDMS封装时，DTab只有 4.9 K。采用热界面层的器件在自然空气对流，风速1 m/s条件下实际输出性能获得极大提升，最大输出功率比无热界面设计器件提高了84.5%，如图1所示。该oTEG还同时具有优异的机械稳定性，可以承受较大的弯曲和拉伸形变，经过多次弯折（r=12.5 mm）、拉伸应变（40%）循环后器件的输出性能不变， 40%拉伸应变下，原位测量器件的输出性能均保持初始值，如图2所示。 图1. 热界面设计显著提高热电器件两端建立的实际温差，输出功率在空气对流、外加50 K温差条件下相较于传统器件提升84.5% 图2. 50对P/N多孔PU/SWCNT热电臂组装的oTEG具有优异的力学稳定性，在大弯曲应变（弯曲半径12.5 mm）和40%拉伸应变下依然保持初始输出性能 为验证oTEG在人体体温发电实际应用场景中的输出功能，测试者戴着oTEG在不同的环境下，如室内、户外、静止、走动等条件下实时记录输出情况，如图3所示。同时该oTEG作为环境温度传感器，具有高灵敏度：2.21mV/K （空气对流条件），在0.1 K微小温差下循环输出稳定，在环境温度达100 °C以及湿度90RH%下依然稳定工作。 图3. oTEG在人体体温发电实际应用场景下的输出性能。 北京航空航天大学材料学院王瑶副教授与邓元教授为本文的共同通讯作者，北航材料学院博士生王亚龙为本文第一作者，北航航空科学与工程学院邵丽华副教授为本工作的力学仿真提供了协助。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和北航青年拔尖人才计划的资助，以及北航杭州创新研究院、浙江省智能传感材料与芯片集成技术重点实验室支持。 论文链接： |
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