柔性超長透明熱電纖維,廢熱發電不是夢!

2021-02-15 江蘇納米創新中心

熱電材料，即能將熱能和電能相互轉換的一種功能材料，其主要原理是當這種材料受熱，其中的電子或者空穴會由高溫區向低溫區移動，從而產生電流或電荷堆積，即熱能轉化為了電能。由於這種轉化能力可以將多餘熱能轉化為可儲存的電能，成為解決生活、生產中大量被浪費的熱能的一種有效途徑，也是突破能源問題的有力舉措之一。

科學家們發現提高熱電材料性能主要有兩個辦法：

1.提高能量轉化效率，如利用SnSe 單晶摻雜實現性能優化；

2.改變熱電設備的結構設計，如將熱電結構與納米發電機複合，同時利用熱能與機械能發電。

然而，目前的柔性熱電纖維材料，還存在一些明顯問題，如低功率密度、容易損壞、包覆面積小等，大大限制了其生產和應用。

近日，來自新加坡南洋理工大學的科學家發明了一種基於納米線結構的、高性能柔性超長透明熱電式纖維，作為可穿戴設備，可達到降溫5℃的效果，這是納米材料用於生產熱電材料的一大突破，未來將在複合型器件上有更多應用，相關成果發表在Nano Energy期刊上。（「High-performance, flexible, and ultralong crystalline thermoelectric fibers 」）。

該研究團隊選取的纖維原料為熔點為873K的p型 Bi0.5Sb1.5Te3和熔點為983K的n型Bi2Se3。為了使製備的熱電設備具有良好的柔韌性與可穿戴性能，研究者們將熱電纖維編織成為二維編織物，以實現其輕薄，柔軟，透氣的特性，適應人體穿著需求。

熱電纖維編織物作為可穿戴設備

我們發現，對於直徑較大的熱電纖維，其輸出功率呈指數增長趨勢，這意味著，在確保柔性的前提下，可以通過增大纖維直徑來提高材料性能。」新加坡南洋理工的魏磊教授還指出：「這種熱電纖維因具有良好的柔韌性，可以包覆在有紋理的設備表面，如水管。」


熱／冷水經過包覆熱電纖維水杯／水管的發電示意圖

研究人員發明的這種透明，超長，柔軟且穩定的纖維織物，不僅可用於集成構建可穿戴熱電設備,而且打破傳統熱電設備的限制，實現冷熱源在彎曲界面之間的有效能量轉換，進一步優化溫度控制。

值得一提的是，該熱電纖維的生產方法依賴於物理熱破碎機制而非化學合成,因此將處理溫度範圍擴大至400°C到2000°C，可用於Bi2Te3，SnSn，SnGe等。這對原材料選擇，宏觀結構粗加工，微觀性能改變等都提供了發展空間。例如,在一根纖維上集成大量p－n纖維組，或通過微/納米線陣列減少纖維內阻，這對未來實現熱電纖維的可穿戴應用具有重大意義。

文獻連結：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551730558X

推薦閱讀點擊以下連結

本文由【江蘇納米創新中心】微信公眾平臺翻譯發布，如需轉載請聯繫【江蘇納米創新服務，微信號：jsnano】進行授權轉載。

關注「江蘇納米創新中心」，您還可以做這些事☟

✿【自助服務】
回復 01 查看：納米政策匯總
回復 02 查看：最新申報通知
回復 03 查看：納米新聞、活動
回復 04 查看：納博會
回復 05 查看：納米企業、牛人
回復 06 查看：投稿宣傳平臺
回復 07 查看：招聘求職平臺
回復 08 查看：企業走訪徵集
回復 09 查看：江蘇納米創新中心介紹

✿【人工服務】
回復 00 添加：微信客服「蘇小納」

相關焦點

  • 單晶SnSe熱電纖維：從一維功能纖維到多維智能織物
    有鑑於此，新加坡南洋理工大學魏磊教授團隊和中國科學院工程熱物理研究所張挺研究員團隊聯合康奈爾大學田芝婷教授團隊和北京航空航天大學趙立東教授團隊報導了一種新型的基於纖維熱拉法和雷射重結晶效應的單晶SnSe熱電纖維製造技術，突破了高品質單晶柔性熱電纖維的製備困難
  • 湖南大學製備出最新熱電材料:體溫發電或成現實
    央廣網長沙9月12日消息（記者鄧文輝 通訊員李妍蓉）體溫發電？開水的熱量也可發電？湖南大學物理與微電子科學學院副教授黃暉輝首次製備出一種新型的熱電材料——1T相二維二硫化鉬柔性熱電材料，能夠利用體溫等人們日常生活中產生的廢熱來發電，人體「永動機」或成現實。　　熱電材料，就是利用材料兩面的溫差來發電，如環境溫度和人體溫度之間有差異，就能產生電。
  • 科學家發現一種低溫熱電材料 可用於廢熱發電冷凍裝置
    科學家發現一種低溫熱電材料 可用於廢熱發電冷凍裝置 原標題： 　　科技日報東京9月12日電 （記者陳超）日本科學家日前發現一種低溫熱電材料，該材料能在低溫條件下顯示出比鉍系熱電材料高出100倍以上的熱電效應。
  • 【本期關注】中科院工程熱物理研究所在單晶熱電纖維研究方面取得新進展
    譬如具有優良熱電性能的SnSe單晶材料，能夠實現熱能與電能的相互轉化，在溫差發電和熱電製冷領域有著巨大的應用前景。然而傳統的單晶生長方法由於生長速度慢、製造條件嚴格、加工成本高等因素，限制了單晶SnSe材料的大規模產業化應用。
  • 金屬所高性能柔性複合熱電材料研究取得重要進展
    【觀察者網綜合報導】 近期，中國科學院金屬研究所邰凱平研究員課題組、劉暢研究員課題組與合作者研製出一種高性能碲化鉍/單壁碳納米管（Bi2Te3/SWCNT）柔性熱電材料。據中國科學院金屬研究所11月20日消息，該複合材料具有良好的彎曲柔性與自支撐結構，可使用離子束、飛秒雷射等微納加工方法將其裁剪成任意幾何形狀和轉移至各種類型的基底上，有利於靈活方便地製備各種結構的熱電器件，甚至可以通過靜電力等非接觸式方法操控該複合熱電材料。
  • 印度理工學院研新熱電材料 有效將廢熱轉化為電能
    （圖片來源：印度理工學院曼迪校區官網） 研究人員表示，利用熱能發電非常具有吸引力，因為工業、發電廠、家用電器和汽車等領域的人類活動會產生大量的熱能，而大部分的此類熱能都被浪費掉了。
  • Science:熱電新突破,廢熱可驅動電子器件工作!
    實現了一種廢熱驅動的自旋探測器。電子器件中的廢熱問題自旋電子器件中的有源元件必須按比例縮小到越來越小的尺寸，從而產生更高的電荷和自旋電流密度。同時，產生大量對電器件有害的廢熱。近來，實驗和理論研究表明，廢熱未來可以用於節能設備中，譬如利用廢熱發電，傳感或計算。 什麼是塞貝克效應談到熱電轉換，就不得不提到塞貝克效應。塞貝克效應又稱為「第一熱電效應」，是指由於兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。月球上的玉兔二號在沒有太陽的時候，就是基於這種熱電轉換效應來供電。
  • 松下改進低溫廢熱應用技術,發電能力翻倍
    如果實現實用化，就可以有效利用此前被廢棄掉的小規模低溫廢熱。　　這款會發電的配管「熱發電管」將鉍碲（Bi-Te）類熱電轉換材料和鎳（Ni）沿著軸方向交替層疊並形成管狀（圖1）。在管內流過熱水、外側用冷水冷卻後，就可以通過內外的溫差來發電。特點是將Bi-Te和Ni傾斜層疊，軸方向會產生電動勢。　　將Bi-Te類熱電轉換材料和Ni層疊，形成管狀。
  • 無機柔性熱電新材料研製成功
    中科院上海矽酸鹽研究所研究人員史迅、陳立東、孫宜陽、仇鵬飛等和美國克萊門森大學教授賀健合作，開發出基於硫化銀（Ag2S）柔性半導體的新型高性能無機柔性熱電材料和器件
  • 熱電薄膜材料的設計及其器件集成
    熱電材料是能將「熱」與「電」兩種不同形態的能量相互轉換的「綠色能源」材料，可充分利用日常生產和生活中的廢熱再發電。以熱電材料製造的溫差電池具有清潔、穩定性高、堅固、壽命長等一系列優點，是我國資源高效利用、餘熱餘能回收等節能環保科技專項中的重要研究內容。然而，目前熱電材料的能量轉化效率普遍只有~10-15%，嚴重製約著能量的利用率。
  • 熱電發電新方法:用鉛筆和紙,簡單又便宜!
    2）美國喬治亞理工學院研究人員採用柔性導電聚合物和紙張上印刷的新型導電圖案，開發出一種概念驗證階段的可穿戴熱電發電機。該熱電發電機能採集人體熱量，為測量心率、呼吸和其他生理指標的生物傳感器供電。4）美國北卡羅萊納州立大學的研究人員為了提高柔性可穿戴設備中熱電發電機的性能和效率，採用EGaIn 液態金屬互連線連接溫差電元件，這些互連線不僅電阻很低，還具有拉伸和自我修復的特性。
  • CCS Chemistry | 錐形纖維陣列引導,寫出一片柔性透明電極
    北京航空航天大學的劉歡教授課題組提出了一種由錐形纖維陣列引導的液體可控輸運、轉移的簡單策略，可用於大面積（5*5cm2）直寫十字交叉取向的銀納米線薄膜的製備，基於此構築的柔性透明電極具有優異的性能，方阻為21.4 Ω sq-1，透光度為93.8 ％，進一步製備了柔性透明的量子點發光二極體（QLED）器件，效率可達到15.47％。
  • 能用體溫發電的薄膜了解一下?
    水電站、火電廠、風電站、核電站……　　如果我告訴你，只需要通過一塊薄膜，體溫也能發電呢？　　這怎麼可能？！這和「用愛發電」有區別嗎？　　中國科學院金屬研究所研發的高性能柔性熱電材料就能做到！　　發電、製冷、控溫，熱電材料全能幹！
  • 物理所在高性能緊湊型柔性熱電模塊研究中取得進展
    熱電模塊能把產生於自然熱源（如太陽能或地熱能）的熱能和工業、生活廢熱直接轉換為有價值的電能，實現能源的循環利用，也可用於固態製冷，在能源危機和環境汙染日益嚴重的今天，具有重大的意義。面對傳統無機熱電材料存在的不足，對環境友好且價格低廉的新型柔性熱電材料引起了研究者的巨大關注。由於在熱電模塊中，p型和n型熱電材料組成的熱電偶是基本工作單元。
  • 中科院研製出利用溫差發電材料 通過體溫就能為智能手錶充電
    利用溫差就可以發電？聽起來挺神奇的。其實科學家們已經在這個領域探索很多年。1821 年，德國人 seebeck 發現，在兩種不同金屬（銻與銅）構成的迴路中，如果兩個接頭處存在溫度差，其周圍就會出現磁場，又通過進一步實驗發現迴路中存在電動勢。這一效應的發現，為測溫熱電偶、溫差發電和溫差電傳感器的製作奠定了基礎。
  • 華科大《Science》：將廢熱用來發電，刷新世界紀錄
    目前的能源回收技術是不經濟的，熱電裝置的性能評估主要是分析設備的品質因數(Z = Se2σ/κ)，可以看出，這取決於塞貝克係數(Se),電導率(σ),和熱導率(κ)。在熱電材料中，傳統的固態熱電電池是研究最深入的。然而，其效率在室溫附近一直僅略有進展。另外，液態熱電電池(LTC)提供更多的方法來解除σ與κ之間的相互制約關係。
  • 中科院金屬研究所專家稱:已研製出利用體溫發電的新材料
    新華社瀋陽2月9日電（記者王瑩）據中科院金屬研究所向記者介紹：這家研究所研製出能夠利用體溫發電的新材料。研究團隊預計，未來5年，這種新材料就可以實現商業化，為藍牙耳機、健康監測器、手錶、智能手環等可穿戴電子設備供電。
  • 可穿戴的太陽能熱電發電機:效率更高!
    筆者曾經介紹過多個自供電相關的創新方案，特別是在《新型柔性可穿戴熱電發電機：效率更高、性能更好！》一文中，介紹過溫差發電的方式，利用人體熱量實現自供電。然而，要實現可穿戴設備的溫差發電，必然離不開一個關鍵設備："熱電發電機"(TEGs)，它能持續地利用身體與周圍環境之間的溫差發電。創新今天，我要介紹的創新技術成果仍然是與TEGs相關。
  • 具有自調節載流子濃度特性的n型Bi2(TeSe)3-SiC納米複合熱電材料
    當下社會，約60%的能源在使用過程中正以廢熱的形式流失，而其中低溫區100-300 ºC的廢熱佔到了50%的比例，並難以在工業中回收利用。
  • 同濟蔡克峰教授課題組在柔性熱電材料方向研究取得重要進展
    性能優異的柔性熱電薄膜熱電技術是一種「綠色」的能源技術，它可以直接將熱能轉化為電能或利用電能製冷， 該技術的關鍵是製備高性能熱電材料。利用柔性熱電材料構築的柔性熱電器件能直接利用人體體溫和環境的溫差進行發電，可為迅猛增長的可穿戴和醫用植入式電子設備及物聯網傳感器提供電源，因而受到越來越多的關注。無機熱電材料雖然具有優異的熱電性能，但由於其剛性和脆性一直被排除在柔性熱電材料之列。如何將無機材料的高熱電性能和柔性結合起來，是開發高性能柔性熱電材料的一大難題。