可拉伸热电能量收集技术，利用人体热量为可穿戴设备供电
2022-08-25 10:44:31 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
通过打印多功能软性物质并嵌入无机半导体，研究人员打造了这种同类首创的热电发电机（TEG），它们柔软、可拉伸，但坚固、高效——将这些特性结合起来无疑具有挑战性。
从健康和健身智能监测设备，到虚拟现实（VR）头戴式设备等可穿戴电子产品，已经成为我们日常生活的一部分，不过，为这些设备持续供电仍然存在挑战。据麦姆斯咨询介绍，美国华盛顿大学机械工程学院助理教授Mohammad Malakooti领导的一支研究团队开发出了有望解决这一挑战的创新解决方案：一种可穿戴热电能量收集器，可将人体热量转换为电能。
研究人员开发的可拉伸热电能量收集器，可将人体热量转化为电能
通过打印多功能软性物质并嵌入无机半导体，研究人员打造了这种同类首创的热电发电机（TEG），它们柔软、可拉伸，但坚固、高效——将这些特性结合起来无疑具有挑战性。他们的研究成果以“Printing Liquid Metal Elastomer Composites for High-Performance Stretchable Thermoelectric Generators”为题，发表于Advanced Energy Materials期刊。
与其他由不可拉伸的铜电极和碳基复合材料制成的柔性热电器件不同，华盛顿大学研究团队开发的TEG经久耐用，并且可以弯曲、扭转和拉伸。即使在30%应变下超过15,000次拉伸循环后，它们仍能保持完整的功能，因而能够突破皮肤的延展性限制，对于可穿戴电子设备和软体机器人来说提供了非常理想的特性。与之前的可拉伸热电能量收集器相比，该器件的功率密度也提高了6.5倍。
“如果我们能够收集原本全部都将浪费在环境中的热能，那就是100%的收益。我们希望将这些能量用于自供电电子设备，因此需要更高的功率密度。”Malakooti说，“我们利用增材制造来打印可拉伸电子器件，提高其效率，并将其无缝集成到可穿戴设备中，同时回答了基础研究问题。”
可拉伸TEG增材制造过程
为了制造这种可拉伸的TEG，研究人员在每一层3D打印了具有功能设计和结构特性的弹性体复合材料。他们在弹性体中整合了功能性填充材料（提供高导电率和导热率的液态金属合金），以解决早期版本TEG的局限性，例如低拉伸性和保形性、低传热效率以及复杂的制造工艺等。他们还嵌入了空心微球，以将热量引导到核心层的半导体上，同时还降低了器件的重量。
中间绝缘层的分步制造工艺，具有嵌入的热电元件
两层高导电液态金属复合材料用于传热，并利用一层绝缘层将两层材料隔开并封装热电元件。研究人员打印了具有大液滴液态金属的弹性体复合材料，以用作半导体之间的可拉伸电互连。
“完成这个项目需要付出很大的努力，我们很享受这个探索的过程。”论文第一作者硕士研究生Youngshang Han说，“我以前从未参与过基于软物质的能量收集研究，所以一切对我来说都是新的，我学到了很多东西。”
研究人员对这项技术未来在可穿戴电子设备中的应用感到兴奋。这篇论文展示了如何将TEG打印在可拉伸织物或曲面上，从而应用于服装和其他物件。该研究还证明了3D结构散热器（有助于散热的大表面积组件），可以利用其新方法直接印刷在热电器件上。
“这项研究独特的一面是它覆盖了从材料合成到器件制造和表征的全部过程。”Malakooti说，“这让我们可以自由设计新材料，设计过程中的每一步，发挥创造性。”
Malakooti的研究小组iMatter Lab将在Meta Reality Labs最近的一项研究基础上，继续研究柔软和可拉伸的TEG。今年秋天，Youngshang Han将以博士生的身份加入该小组，他表示，“我很高兴能成为这个快速发展领域的一员，并希望在未来的项目中继续推动可穿戴电子产品的极限。”
iMatter Lab的学生和研究人员获得了广泛的多学科动手技能，包括材料合成、机电测试、3D打印和制造电子设备，亲自动手进行研究是一种有益的经历。
Malakooti说：“在实验室里看着这些学生努力创新并帮助他们，真是太棒了。他们每个人都有自己独特的技能和研究兴趣，如多物理建模、材料表征、电路设计以及构建测试装置等。”
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