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北航:性能提高75.5%!高性能有机热电发电机最新力作

发布时间2022-05-18人气:1122

随着物联网市场的不断增长,便携式分布式电源的需求量很大。各种能量收集技术已经发展起来,其中,热电发电机(TEG)通过塞贝克效应将热能直接转换为电能,具有长期供应、免维护等等优势。因此,兼容性热电发电机(TEG)在可穿戴式自供电电子产品应用前景十分宽广。然而,其弹性封装材料与接触物体之间的热阻较大,导致其传热效率较低,从而严重降低了热功率。由于整个聚合物体系存在较高的寄生热损失,这对有机TEG(oTEG)来说是一个更具挑战性的问题。

为解决该问题,来自北京发电机###http://www.1688baifa.com北京航空航天大学王瑶副教授邓元教授团队以有限元分析为指导,在不影响oTEG柔韧性的前提下,研制了一种以聚二甲基硅氧烷为基体的铜包覆复合材料作为热界面层,其具有导热系数高、热阻小等优点,最大温差利用率达到86%,结果显示,这种oTEG的性能比常规的提高了75.5%。作为概念验证,本文将50对p/n多孔聚氨酯/单壁碳纳米管TE腿集成到设计的基板上,并且不需要进一步的封装,进而对不同热状态下的输出特性进行了仿真和实验,结果表明两者具有很好的一致性。在不同变形条件下的现场输出性能试验表明,oTEG具有良好的机械稳健性。最后,对oTEG作为体热集热器和环境温度传感器的功能进行了演示。出色的性能证明了热接口设计策略在促进oTEG作为可穿戴电子产品应用方面的成功。相关工作以题为High-performance Stretchable Organic Thermoelectric Generator via Rational Thermal Interface Design for Wearable Electronics的研究性文章在《Advanced Energy Materials》上发表。

TEG/皮肤的热阻模型

用于模拟的热阻模型如图1a所示,本文详细讨论了这些参数对温度利用率的影响。在该模型中,热源(TH)通过热端热阻(RH)、热端热阻(Rleg)和冷端热阻(RC)流向冷环境温度(TC)。TH和TC之间的oTEG系统的总温差为ΔTHc,TE腿的热侧(Ta)和冷侧(Tb)之间的有效温差定义为ΔTab。温差利用率ϕth表示为

如上述方程所示,可以利用降低RH、增加Rleg或降低RC的因素来促进ϕth。

图1.oTEG系统的热阻模型

皮肤用的导热可伸缩基板的设计

图2a显示了在有和没有镀铜的情况下ΔTab随衬底厚度和导热系数变化的有限元模拟。可以清楚地看到,由于RTCR值的显著降低,额外的金属涂层在保持衬底的热导率上的较大ΔTab方面变得更加重要。在有限元仿真结果的指导下,通过图2b所示的策略设计了一个高效的热接口。首先,选择了同时具有高导热和电绝缘性能的氮化硼(BN)微板作为填充材料来提高PDMS的导热性能。当BN微板在不同方向表现出高度各向异性的导热行为时,将Fe3O4纳米颗粒修饰在BN上(即BN@Fe3O4),从而利用磁场辅助对准BN微板,最终有效地提高PDMS的导热性能。然后,在复合材料上涂覆高导电性的Cu金属层,形成PdMS/BN@Fe3O4/Cu热界面。复合基板的加工如图2c所示。北京发电机###http://www.1688baifa.com

图2. oTEG的有限元模拟比较

图3.具有50对TE腿的TEG装置的配置示意图

oTEG的输出性能

为了研究oTEG的发电性能,本文结合有限元模拟在不同的热条件下进行了输出测量。在强制冷却的情况下,冷端固定在293K,热端固定在343K,图4a显示了整个oTEG的温度分布。在这种情况下,即在强制冷却条件下,ΔT=50K时,相应的开路电压(VOC值)为203mV。图4b显示了在不同给定ΔT下相同热条件下的实验测量电流-电压曲线。在ΔT=50K时,VOC和最大输出功率(Pmax)分别为203.7 mV和2.17 µW,与仿真结果吻合较好。另外,本文还在ΔT=50K下进行了超过104s的持续输出测试,结果表明oTEG在长期使用中是稳定的。北京发电机###http://www.1688baifa.com

图4.不同热条件下oTEG的温度分布和输出特性的有限元模拟

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图5.采用/不采用热接口设计的OTEG输出性能的实验结果比较

图6.本研究与最近报道的oTEG之间的电压与归一化功率密度的比较。

oTEG的机械可靠性

机械稳定性是oTEG可穿戴应用的另一个重要要求。为了了解oTEG在身体运动(如弯曲和拉伸)中常见的大变形下的稳定性,本文对这种机械变形条件下的稳定性进行了模拟。如图7a所示,在弯曲半径(r)为6.7 mm的严重弯曲条件下,装置的实际承受应变不超过4%(压缩和拉伸),表明装置的弯曲刚度低,变形能力大。当以40%的应变拉伸oTEG时,从图7b的放大视图可以看出,TE腿附着在底部电极与衬底相接的接头沿拉伸方向遭受了大部分变形。节点的最大应变约为108%,其他部位的应变均小于65%,均低于破坏应变,也就保证了结构在大应变下的稳定性。

图7.oTEG应变分布的有限元分析结果

oTEG在人体皮肤上的穿戴性能北京发电机###http://www.1688baifa.com

为了评价优化后的oTEG的实用性能,将其戴在人体手腕上进行功能检测。如图8a所示,在室温23℃的静态环境下,从红外图像记录的整个oTEG的实际ΔT可以达到6℃。相应的VOC为16.3 mV,如图8b所示。为了消除裸露皮肤的被动散热,并增强穿戴体验,本文将oTEG与棉质腕带相结合。相应的VOC增加到19.8 mV,如图8c所示,这是由于腕带的保温效应。如图8d所示,在室外环境(即23℃有风)下佩戴oTEG时,VOC进一步增加到32.0 mV。

图8. 在人体安装的oTEG性能。

小结:北京发电机###http://www.1688baifa.com本文在有限元模拟的指导下设计了涂覆一层薄铜层的可伸缩复合材料PdMS/BN@Fe3O4作为热界面层,大大提高了接触物体与热界面间的传热能力,最大ϕth达到86%,比没有热界面层设计的热界面高75.5%。将50对P/N多孔PU/SWCNT TE腿集成到一个可穿戴的oTEG中,并在静态环境下建立了温差ΔT=6℃进行实验,结果显示,其性能远远超过了最先进的可穿戴TEG。oTEG在实际条件下作为人体集热器和环境温度传感器的高性能,以及在各种变形下的机械稳定性,清楚地表明了热界面设计策略的重要性,进一步促进了oTEG在可穿戴电子领域的应用。

全文链接:

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

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