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东华大学王黎明&覃小红:连续制备可拉伸可集成热电纳米纤维纱线用于人体能量收集和自供电运动检测

学术动态    2022-07-26 16:33

DOI: 10.1016/j.cej.2022.137937

 

热电转换技术为直接收集人体释放的热量并将其转化为电能提供了一种新方法,在智能可穿戴电子领域引起了广泛关注。然而,目前用于可穿戴热电器件的热电材料往往面临着不透气、体积大、集成度差、拉伸性有限等问题。在此,本文提出了一种结合凝固浴静电纺丝和自组装策略的先进制备方法,以高效、连续制造具有高拉伸性(≈350%)和可缝合性的CNT/PEDOT:PSS热电纳米纤维纱线。在纺丝过程中,非溶剂诱导的相分离和自组装效应导致大量CNT/PEDOT:PSS负载在每根单独的纳米纤维上。由于热电材料负载在纱线内部,而不是简单地涂覆在表面上,其表现出优异的机械稳定性。此外,基于纱线的热电效应和可缝合性,它们可以集成到手套和口罩中,以自供电模式进行冷/热源识别和人体呼吸监测。而且,由纱线组成的自供电应变传感器在不同应变下显示出相应的热电压变化,可用于优化篮球运动员的投篮命中率。这些独特的性能使热电纳米纤维纱线在可穿戴发电机、呼吸监测、运动优化等智能可穿戴领域展现出广阔的前景。

 

图1.可拉伸热电纳米纤维纱线的制备过程物理图像。主要包括纺丝溶液推进装置、高压发生器、用于接收纳米纤维的凝固浴装置和用于收集热电纳米纤维纱线的旋转卷绕装置。

 

图2.热电纳米纤维纱线的宏观形态和微观形态。(a)热电纳米纤维纱线均匀地聚集在筒管上,纱线表现出良好的力学性能。(b)打结状态下纱线的SEM图像和随机区域表面的放大SEM图像。(c)纱线横截面的SEM图像。(d)碳纳米管横截面的SEM图像。

 

图3.不同CNT含量的热电纳米纤维纱线的热电测试和热电性能示意图。(a)纱线热电性能测试示意图。(b)不同CNT含量的热电纳米纤维纱线的塞贝克系数和电导率。(c)不同CNT含量的热电纳米纤维纱线的功率因数。(d)不含PEI的热电纳米纤维纱线和含PEI的热电纳米纤维纱线的热电性能比较。

 

图4.制造的热电装置的示意图和性能。(a)由8根热电纳米纤维纱线串联组成的热电装置示意图。(b)器件在不同温差下的电流-电压曲线。(c)器件在不同温差下的功率-电流曲线。(d)不同温差下,器件的输出功率与负载电阻的函数关系。

 

图5.由8根热电纳米纤维纱线串联组成的柔性可穿戴热电装置及其在人体能量收集和呼吸监测中的应用。(a)安装在人体皮肤上的热电装置的俯视图和侧视图。(b)安装在手腕上的热电装置示意图。设备一端靠近热源(皮肤),另一端靠近冷源(空气)。(c)该热电装置在室温下固定在人体上可收集约1.1mV。(d)用于呼吸监测的功能性面罩的物理图像。该设备的一侧靠近外部环境空气,另一侧靠近呼吸气流。(e)在室温T0下,功能面罩检测步行期间的输出热电压和跑步期间的输出热电压。

 

图6.可拉伸热电纱线的温度传感特性及其在自供电模式下的温度识别应用。(a)纱线两端的温差(ΔT)与输出电压呈良好的线性关系。(b)纱线的最低识别温度约为0.35K。(c)纱线在不同温差下的相应输出热电压响应。(d)基于热电纱线的智能手套具有温度识别能力,其中纱线以缝合的形式集成到手套中。(e)智能手套分别暴露于热水和冷水时的热电压输出,T0为室温。(f)手套热电压的加热响应时间。

 

图7.可拉伸热电纱线的力学性能、应变传感性能和自供电应变传感应用。(a)热电纳米纤维纱线和纯PU纱线的应力-应变曲线。(b)热电纱线在不同应变下的电阻变化,其中ΔR=R-R0,R为应变下的实时电阻,R0为初始电阻。(c)本研究的可拉伸热电纱线与最近报道的纤维基可拉伸热电材料的比较。(d)自供电传感性能测试示意图。(e)自供电应变传感器在6K温差和不同应变下的输出电压。(f)应变变形下电压的响应时间约为0.5s。(g)用于监测篮球运动员投篮姿势以提高投篮命中率的自供电传感器示意图。(h)当手腕在5K温差下弯曲时自供电传感器的输出电压响应。(i)当手腕在5K温差下以不同角度弯曲时自供电传感器的输出电压。