【摘要】

由于直接从废热中收集电能，热电发电机 (TEG) 在柔性和可穿戴电子产品方面表现出巨大的潜力。良好的耐磨性需要较高的机械柔韧性和较好的拉伸性，而目前的 TEG 主要由刚性或不可拉伸的组件开发，不能很好地贴合人体皮肤或适应人体运动，从而阻碍了进一步的应用。

在此，广州发电机###http://www.baifa2009.com国家纳米科学中心王汉夫副研究员、深圳大学陈光明特聘教授团队提出了一种用于制造可拉伸 TEG 的波状结构，其中采用可拉伸和自修复的水凝胶作为器件基底，并附着本质上柔韧的高性能 TE 薄膜以形成波状形态。波状结构的 TEG 可以很容易地拉伸到 300%，同时可以维持稳定的能量输出，保留 90% 以上的 TE 性能，优于大多数报道的最先进的 TE 材料和 TEG。它还展示了一种理想的设备级自救能力，源于水凝胶的有效自我修复和 TE 腿的波浪结构，从而在受伤或损坏时提供持续的能量供应。这项工作为设计下一代可拉伸和可穿戴 TEG 提供了一种很有前景的方法。相关论文以题为AWavy-Structured Highly Stretchable Thermoelectric Generator with Stable EnergyOutput and Self-Rescuing Capability发表在《CCSChemistry》上。

【主图导读】

图 1(a)水凝胶结构示意图。(b)自愈性质示意图水凝胶通过多个动态氢键。(c) 显示水凝胶制造过程的示意图。

图 2(a,b)不同放大倍数下水凝胶的 SEM 图像。(c) 水凝胶的 FTIR 光谱。(d)水凝胶的应力-应变曲线。插图显示其高拉伸性。(e) 显示水凝胶自修复功能的照片。示意图揭示了基于多重动态氢键的自愈机制。(f) 照片显示愈合后的水凝胶在伤口处具有强结合能。

图 3广州发电机###http://www.baifa2009.com(a) 原始 p 型 CNTP 的 SEM 图像。(b) n 型PEI-CNTP 的 SEM 图像。(c) 原始 CNTP 和 PEI-CNTP 的拉曼光谱。(d) 原始 CNTP 和PEI-CNTP 的 XPS 全谱。(e) PEI-CNTP 的 XPS N1s 谱。(f) 原始CNTP 和 PEI-CNTP 的 XPS C1s 光谱。(g) 原始 CNTP 和PEI-CNTP 的应力-应变曲线。(h) 原始 CNTP 和 PEI CNTP 的机械性能。(i) 显示原始 CNTP (1, 2) 和 PEI-CNTP (3, 4) 薄膜的高柔韧性的照片。

图 4(a) p 型CNTP 和 n 型 PEI-CNTP 薄膜的热电性能。(b) n 型 PEI-CNTP 薄膜的空气稳定性。(c) 作为温度函数的 p 型 CNTP膜的热电性能。(d) 作为温度函数的 n 型 PEI-CNTP 膜的热电性能。

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图 5广州发电机###http://www.baifa2009.com(a) 波形结构可拉伸 TEG 的设计原理示意图。(b) 由各种 p-n 对组成的 TEG 的开路电压作为温差的函数的比较。(c) 由 1 个 pn 耦合组成的 TEG 在 10 K 温差下具有多个拉伸循环的输出电压变化。(d) 由 3 个 pn 耦合组成的 TEG 的输出电压和输出功率作为输出电流的函数15 K 的温差。(e) 15 K 温差下由 3 个 pn对组成的 TEG 在不同拉伸比下的输出电压变化。(f) 由 3 个 pn 对组成的 TEG 在不同拉伸下的输出功率变化在 15 K 温差下的比率。(g) 在15 K 温差下自救前后由 3 个 pn 对组成的 TEG 的能量输出。(h) 示意图显示了 TEG 的自救机制。(i) 拉伸性和TE 性能保持率与文献报道的 TE 材料和 TEG 的比较。

【总结】

该团队通过微波状结构的合理设计，提出了一种具有稳定能量输出和自救能力的高度可拉伸的 TEG。该器件架构采用可拉伸和自修复的 PAA 水凝胶作为基材，并采用本质上柔韧但不可拉伸的 CNTP 和 PEI-CNTP 薄膜作为 TE 腿。受益于波浪形结构，制成的 TEG 很好地继承了高拉伸性，并在各种应变下表现出稳定的能量输出。它可以在 300% 的大拉伸下很好地维持其初始能量输出的 90% 以上，这优于大多数最先进的可拉伸 TE 材料和 TEG。除了具有高拉伸性和稳定的 TE 性能外，TEG 还可以通过水凝胶电解质的自修复和波状TE的重新附着和重新连接实现高效的设备级自救，从而产生持久的受到机械伤害或损坏时，能源供应不会出现故障。大应变下的稳定能量输出和自救能力都是柔性和可穿戴电子产品的理想特性，表明 TEG 在可穿戴应用中具有巨大潜力。

参考文献：

doi.org/10.31635/ccschem.021.202101077

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