优化热设计, 高性能可穿戴热电器件

研究背景

在过去的几十年里，可穿戴电子设备发展迅速，被广泛应用于运动和健康监测领域，并正在成为人们日常生活中不可缺少的一部分。

目前，市场上的可穿戴电子产品主要由电化学储能电池，即电池、超级电容器等供电，但它们的容量和寿命是有限的，需要经常充电或更换电池。对于忙碌或行动不便、健忘的老人，充电或更换电池并不方便。研究者们提出了自供能可穿戴电子设备的概念，设法直接从人体或周围环境中采集能量使设备正常工作。

热电发电机（TEG）是一种纯固态装备，可以将热量直接转化为电能，具有许多优点，包括高可靠性和无移动部件、噪音和污染。由于人体皮肤和外部环境之间存在温差，可穿戴热电发电机（w-TEG）通过赛贝克效应直接将其转化为电能。因此，将可穿戴电子设备与 w-TEG 集成是实现自供能可穿戴功能的有效途径。

然而，当前 w-TEG 受输出电压和功率密度的限制，在应用上难以得到进一步推广，如何有效提高其转化效率和电输出能力成为研究者们急需解决的难题。

研究成果

基于此，武汉理工大学唐新峰教授团队和何大平教授团队合作，通过有限元模拟，对集热器、热电臂和散热器进行了综合热管理。研究发现，提高器件的基板导热性能，有利于降低其最佳填充系数和基板厚度，提高功率密度，从而使得 w-TEG 既能佩戴舒适，又更经济实用。

本文利用由聚酰亚胺 (PI) 薄膜和石墨烯组装薄膜 (GAF) 制备的具有良好柔韧性的叠层薄膜作为 w-TEG 的基板：PI 膜有效增强了基板的机械强度；具有高导热性的 GAF 大大降低了基板的面内与面外热阻，减小了热损失，使底部基板具有更好的集热效果；GAF 高的表面发射率有助于增强表面辐射传热改善顶部基板的散热。

在不影响电通路的情况下，上基板进行机械切割，使得 w-TEG 具有良好的可弯折性，经过 20000 次弯折疲劳循环（曲率半径为 6 mm）器件内阻变化小于 0.5 %。最终，利用此叠层基板制备的 w-TEG 模组（由四个 w-TEG 单元串联，填充系数为  10%，平面面积为 20×145 mm²）戴在人体手腕上跑步时（接触压力为 0 KPa，风速为 3 ms⁻¹），最大输出电压和功率密度分别达到 281.6 mV 和 45.6 μWcm⁻²，这是已报道的未加载散热器 w-TEG 中的最佳结果之一。

总结与展望

研究者基于有限元模拟对 w-TEG 中的集热器、热电臂和散热器进行了综合的热管理。研究发现，当器件基板具有较高的热导率时，w-TEG 在获得更小的最佳填充系数和基板厚度的同时具备更高的功率密度。

在此基础上，本文提出了 GAF 和 PI 复合叠层基板的设计策略，制备了具有不同填充系数的 PI 基板与叠层基板热电器件，并对其进行了电输出性能研究。最终，利用此叠层基板制备的 w-TEG 模组（由四个 w-TEG 单元串联，填充系数为 10%，平面面积为 20×145 mm²）戴在人体手腕上跑步时（无接触压力，风速为3 ms⁻¹），最大输出电压和功率密度分别达到 281.6 mV 和 45.6 μWcm⁻²，这是已报道的未加载散热器 w-TEG 中的最佳结果之一。

该研究对于 w-TEG 的电输出性能优化以及加速自供电电子产品的发展提供了有益指导。

文献链接：https://doi.org/10.1039/D2TA06966K

转自：“i学术i科研”微信公众号

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