热电纤维编织成的三维可拉伸热电织物：持续稳定供电与肢体动作相兼容

随着移动电子产品的迅速普及和更新换代，可穿戴式供电器件成为当下研究热点。温差发电机(热电器件)可利用人体和周围环境之间的温差发电，无任何传动部件，有望为移动电子产品提供永久电源。织物智能化配置无疑是实现热电器件可穿戴性的最有效途径。然而传统织物的二维结构只能收集平面内的热量，无法匹配人体与环境的热流方向，并且难以实现持续供电与肢体动作的兼容性，从而限制热电器件的可穿戴应用，成为困扰研究者多年的问题。

可穿戴热电器件在实际应用中仍面临着关键挑战：（1）如何有效捕获人体环境温差梯度方向的热流以提高输出功率密度；（2）如何提高热电模块的热电性能和稳定性，尤其n型热电材料；（3）如何获得足够的柔性从而满足与不同形态人体部位的热接触；（4）如何实现热电臂微型化紧凑集成；（5）如何满足热电模块非可视化的大面积热量收集；（6）如何满足可拉伸性和保形性，实现可持续稳定供电与人体肢体动作的兼容性；（7）如何整合织物的保温功能和热电器件的传热需求。

针对热电器件难以实现真正可穿戴应用的问题，东华大学江莞教授（点击查看介绍）、王连军教授（点击查看介绍）和美国西北大学G. Jeffrey Snyder教授（点击查看介绍）合作，巧妙利用弯曲纤维弹性力关系实现热电模块自支撑，构筑了三维可拉伸热电织物，不仅有效解决了传统器件热流方向的匹配问题，而且该热电器件的拉伸应变可达80%，能实现持续供电与人体肢体动作的兼容性；基于热设计优化和结构优化，在44 K温差下，最终输出功率密度可达70 mW m^-2。所构筑三维热电织物穿戴体验良好，为发展适合人体运动的可穿戴应用热电器件探索了一条新途径。

在这项工作中，研究团队首次提出基于静电喷射方法将π型热电单元精确集成到碳纳米管纤维上，研究表明静电喷射含不饱和键的掺杂剂可实现碳纳米管的高效n型掺杂及准确定位。

图1. 热电纤维制备过程示意图及其性能. a-e, 热电纤维制备过程；f, 热电纤维性能

进一步利用包缠技术有效避热电模块短路，有限元分析及实际测试结果表明，绝缘包缠层可增加热电臂两端温差及流经热电臂的热流，从而提升输出性能。

图2. 有限元分析结果. a,温差；b, 流经热电臂的热流

最终，研究团队巧妙利用嵌套线圈之间弹性力关系使热电模块自支撑于三维空间，实现人体与环境热流方向上的热端并联电端串联，该器件无需支撑基底，可避免输出性能和穿戴体验的牺牲。在拉伸和拉伸恢复过程中热电模块直立角度变化从而赋予热电器件> 80%的拉伸应变能力及应变恢复能力，且不损耗输出性能。基于此，该器件实现了持续供电与人体肢体动作的兼容性。经结构优化后，器件的最大输出功率密度可达35 μW m^-2 K^-2。相关工作为柔性热电器件的真正可穿戴应用提供了可行的新途径。

图3. 热电器件集成示意图及其性能. a, 热电器件集成示意图；b, 热电器件拉伸过程示意图；c,拉伸应变对输出电压的影响；d, 热电器件持续供电与人体肢体动作兼容性；e, 热电器件输出功率密度

这一成果近期发表在Nature Communications 上，东华大学材料学院博士生孙婷婷为第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Stretchable fabric generates electric power from woven thermoelectric fibers

Tingting Sun, Beiying Zhou, Qi Zheng, Lianjun Wang, Wan Jiang, Gerald Jeffrey Snyder

Nat. Commun., 2020, 11, 572, DOI: 10.1038/s41467-020-14399-6

导师介绍

江莞

https://www.x-mol.com/university/faculty/17560

王连军

https://www.x-mol.com/university/faculty/156362

G. Jeffrey Snyder

https://www.x-mol.com/university/faculty/61116