MIT陈刚/南科大刘玮书：蘑菇状的电极结构极大提升可穿戴热电器件发电功率 | Cell Press论文速递
物质科学
Physical science
美国麻省理工陈刚课题组和南方科技大学刘玮书课题组合作在Cell Press细胞出版社旗下Cell Reports Physical Science期刊上，以 “High-performance, flexible thermoelectric generator based on bulk materials”为题发表最新研究。该研究开发了一种柔性可穿戴热电器件，通过优化热电单元结构极大提高了可穿戴热电器件的发电功率。
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研究亮点：
1.具有独特类蘑菇结构的柔性热电单元极大提高了可穿戴热电器件的发电功率
2.多功能铜电极同时用于热电模块的热端集热、冷端散热，提高了温差利用效率
3.建立了一套理论传热分析模型准确预测柔性热电器件的发电性能
第一作者：许倩
通讯作者：许倩，陈刚, 刘玮书
通讯单位：美国麻省理工学院，南方科技大学
成果简介
美国麻省理工陈刚课题组和南方科技大学刘玮书课题组合作开发了一种柔性可穿戴热电器件，通过优化热电单元结构提高器件单位面积发电功率，文章发表于Cell Reports Physical Science。
要点1：热设计
作者根据每个热电单元（热电腿与其两端铜电极）的尺寸、材料性能及所处的热环境建立热阻模型，尽量提高热电腿电阻与寄生电阻之比，获得最优的设计参数。
要点2：制备过程
此工作采用的材料均为已商业化、较为普遍的市售产品：电极材料为铜，n型、p型热电腿分别为BiTeSe与BiSbTe合金。如图1E所示，器件的组装可分为4步，步骤简单直接。
图1. 器件的设计与制备
要点3：柔性热电器件的发电性能
作者分别在实验室内与室外测量了器件的发电性能。当作为头带，热端与穿戴者的前额直接接触，冷端为周围空气时，此柔性热电器件的单位面积发电功率可达6.3 μW/cm2（环境温度为 25°C，风速约为0.2 m/s）至48 μW/cm2（环境温度为 15°C，风速约为2 m/s）。截至发稿，该单位面积发电功率为相似条件下（冷端无额外散热装置）可穿戴热电器件被报道的最高数值（图3展示了本工作结果与文献值的对比）。图2G、H显示当穿戴者静坐于室温为17.5°C、无风的的黑暗房间内，由100对热电单元组成的头带器件可以为市售LED供电，使之工作亮度足以照亮纸质文献。
图2.器件的室内外发电性能测试
图3. 最高发电功率与热电腿尺寸的关系
要点4：新型电极热电单元力学性能分析
作者通过COMSOL模拟了传统热电单元结构与本工作中的类蘑菇热电单元结构在剪切力与非轴向压应力下的力学性能。结果显示，本文提出的新型单元结构在压应力下比传统设计具有更好的力学性能，但在受到剪切力时，其局部应力集中现象比传统设计中要严重。这可能需要由进一步的力学设计来改善（如优化热电腿形状以减少几何不连续等）。
图4. 类蘑菇新型结构与传统设计的力学性能对比
小结：
不同于热电领域内大部分报道材料性能突破的工作，这项工作通过优化器件层面的热设计突破了柔性热电器件的发电功率低的瓶颈，为低成本、高发电功率的可穿戴柔性热电器件的设计制备提供了参考。此项技术未来可能用于物联网、医疗健康、农业、交通、工业制造等领域中各种低功率电子器件的供电。
参考文献：
Xu, Qian, et al. "High-performance, flexible thermoelectric generator based on bulk materials." Cell Reports Physical Science (2022): 100780.
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，
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▌论文标题：
High-performance, flexible thermoelectric generator based on bulk materials
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00047-9
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100780
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