Science Advances头条报道!新型柔性热电器件:可自愈合、可回收和类乐高可重构
任伟 2021-02-25
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第一作者:任伟,孙妍,赵东亮
通讯作者:杨荣贵,肖建亮,张丽霞
通讯单位:华中科技大学,美国科罗拉多大学,哈尔滨工业大学

研究亮点:
1. 首次提出具有自愈合能力、可回收再利用以及类乐高可重构能力的高性能热电发电器。自愈合能力可以有效提高热电器件在面对损伤时的服役寿命。可回收循环利用的能力一方面避免大规模应用时的环境污染,另一方面也显著提高器件的经济性。类乐高可重构的能力使热电器件可根据热源、散热环境和负载的具体情况进行快速而灵活的配置。
2. 提出一种“软质基板-硬质模块插入式”(SOM-RIP)的新型力学结构,使热电器件具备优异的柔性和拉伸性。拉伸量达到120%的情况下,脆性的热电材料薄膜上应变量只有高分子基板的1/1200。
3. 95K温差下开路电压密度可达1V/cm2,可以直接驱动负载运行。
4. 首次在热电器件冷端引入一种波长选择性超材料薄膜,通过利用空间辐射制冷和反射可见光波段,解决户外阳光直射情况下的穿戴柔性热电器件的输出问题。
5. “软质基板-硬质模块插入式”(SOM-RIP)结构制造简单,硬质热电模块的制备兼容于现存的规模化生产方法(例如:各种印刷和打印方法以及卷对卷PVD方法)。

研究背景
热电发电器可以直接将热能转换为电能,具有广泛的应用前景,例如:利用人体体温给可穿戴电子设备供电,或者利用工业废热给物联网(IoT)传感节点持续供能。热电发电器的出现帮助电子设备淘汰低寿命高污染的传统电池,所创造的经济效益和环境价值不可估量。

但是,传统热电器件存在以下几个关键的问题
1. 人体以及各种工业和自然热源的表面通常为非平面的复杂形状,刚性的传统热电发电器很难直接贴合热源,需要专门设计导热部分。
2. 传统热电器件不可修复,在遇到损伤破坏时,只能直接报废。
3. 传统热电器件的制造是不可逆的,废弃后很难回收再利用,环保和经济性较差。
4. 传统热电器件需要根据特定的热源、散热环境和负载进行专门的设计以及制造,周期长,经济性差。
5. 热电器件的开路电压一般较低,在服役时必须使用DC-DC升压模块,造成额外的能量损失,以及附加的体积和重量,不利于穿戴应用。
6. 热电器件在户外阳光暴晒环境下散热困难,严重影响低温废热回收情况下的器件输出。

成果简介
有鉴于此,华中科技大学杨荣贵教授研究团队、美国科罗拉多大学肖建亮教授研究团队、哈尔滨工业大学张丽霞教授研究团队合作,在热电器件研究领域取得重要突破。相关成果以“High-performance Wearable Thermoelectric Generator with Self-healing, Recycling and Lego-like Reconfiguring Capabilities”为题,于2月10日在线发表于Science Advances杂志上,被选为当期的首页滚动推荐文章。哈尔滨工业大学的任伟博士和孙妍博士,以及东南大学的赵东亮教授为共同第一作者。

要点1:“软质基板-硬质模块插入式”结构
模块化的热电片(Thermoelectric chips)插入到新型动态共价聚合物(Polyimine)基板上,通过液态金属导线进行模块间的电连接。

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图1.“软质基板-硬质模块插入式”(SOM-RIP)结构的设计和装配。

要点2:热电器件的基本输出性能
95K温差下开路电压密度可达1V/cm2。热端100℃下可以稳定持续工作100小时。证明了在低温废热(<100℃)回收应用下的优异的输出性能和可靠性。在开路电压、输出功率、柔性、拉伸性、自愈合和可循环等指标下具有显著的综合优势。

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图2. (A,B)不同温差下的单位面积输出功率,(C)不同温差下的单位面积开路电压,(D)热端固定100℃,持续工作100小时下的耐久性测试。(E)综合性能比较。

要点3:器件在穿戴下的输出以及力学性质
在行走情况下,典型的运动腕带大小的热电器件可提供5V的开路电压和12.5 μW的输出功率,足够直接驱动大部分低功率无线传感器节点。器件在极端变形下,作为功能性部位的热电材料上的应变量极低。因此在承受超过1000次3.5mm小半径弯曲疲劳试验以及120%拉伸变形后,输出性能不发生任何衰减。

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图3. (A,B)穿戴下的输出测试。(C,D)半径3.5mm下弯曲以及拉伸120%下结构的应变场分布模拟。(E)弯曲疲劳测试。(F)拉伸性测试。

要点4:器件的自愈合能力、可回收再利用以及类乐高可重构能力
1、使用基于动态共价化学设计的新型高分子聚合物(Polyimine)作为器件的基板和封装材料。2、基板上切割破损部位在室温下1.5小时内完全愈合,器件拉伸性能与破损前一致。3、通过特制的溶剂可以完全回收器件的所有部分,重制的新器件与旧器件输出性能一致。4、通过简单的切割和拼接过程,可以灵活地重新配置热电器件,串联配置的新器件输出性能与旧器件输出总和一致。

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图4. (A,B,C)自愈合、(D,E)可循环和(F,G)类乐高可重构的热电器件。

要点5:波长选择性超材料薄膜对户外性能的提升
波长选择性超材料薄膜可以有效反射可见光,并且同时利用大气透明窗口(8-13μm波段)实现空间辐射制冷,从而显著提升户外日间阳光直射条件下热电器件的输出。

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图5. (A)户外日间和夜间情况下,热电器件冷端热传输示意图。(B)裸露表面和超材料薄膜的光谱吸收/发射系数。(C)户外测试下阳光辐射强度、风速和温度。(D,E,F)户外测试下表面热交换量、单位面积输出电压和输出功率。

小结
总的来说,这项研究为下一代高性能、高可靠性、高环境适应性、灵活可定制的、经济环保的柔性能源转换器件设计提供了一种通用设计思路

参考文献
W. Ren et al. High-performance wearable thermoelectric generator with self-healing, recycling, and Lego-like reconfiguring capabilities. Science Advances. 7, eabe0586 (2021).
DOI:10.1126/sciadv.abe0586.
https://advances.sciencemag.org/content/7/7/eabe0586



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