2023/8/30 9:24:07 阅读：90 发布者：
研究背景
柔性可穿戴电子设备已成为一个快速发展的领域，为健身追踪、健康监测和人机界面等应用提供了前所未有的便利和功能。材料科学、纳米技术和工程学的进步实现了电子元件的微型化以及薄型、可拉伸和轻型设备的制造。随着对可穿戴电子设备的需求不断增加人们也需要稳定、可靠和灵活的能源系统来为这些设备供电。电池、太阳能电池和摩擦纳米发电机虽然在许多应用中都很有效，但需要经常充电、更换，或只能定期工作。与此相反热电转换技术(需要将环境热能转换为可用电能)已成为能源自主型电子设备的一种前景广阔的能源解决方案。这些技术提供了连续、自持运行的机会，减少甚至消除了对外部电源的需求。
传统热电技术可以实现热与电的直接转换，近年来取得了很大进展。然而，被广泛研究的无机热电材料存在固有的刚性/脆性和生物毒性问题，因此不适合柔性和可穿戴应用。虽然有人提出了可行的解决方案，通过采用柔性基底和高度集成的配置来提高其可用性，但这些方法过于依赖精确的微加工技术，导致设备制造成本高昂。另一方面，有机热电材料本质上是柔软的、可拉伸的，但其热功率通常不能令人满意。这种限制使得在实际应用中必须连接和集成成千上万的热电脚，从而增加了材料和制造成本。与此相反，热电偶(TEC)可通过热电偶效应产生较大的热电Seebeck系数(Se)，该效应源于电极上发生的与温度相关的氧化还原反应。与传统热电半导体器件中受电子/空穴传输特性制约的电子塞贝克效应不同，氧化还原离子驱动的热电偶效应可在环境温度下产生 mV K-1 量级的可观热功率。
同时，最近开发的用于 TEC 的准固态水凝胶电解质可替代液态电解质，从根本上解决了泄漏和封装问题，同时还具有类似固体的机械适应性。因此，水凝胶固有的柔软性和顺应性使其能够与人体保持密切接触并适应人体运动；对于需要与佩戴者皮肤紧密结合才能有效发挥作用的设备来说，这一特性至关重要。此外，与传统的热电材料相比，水凝胶通常具有较低的热传导率，这有助于保持稳定的温度梯度，而温度梯度对于高效的能量转换至关重要。这些独特的优点使基于水凝胶的 TEC 成为柔性和可穿戴电子设备的一种有前途的能源解决方案。
有几项研究成功地将水凝胶电解质纳入了先进的 TEC 设备。不过，这些研究一般都沿用了传统热电发生器的设备配置，导致设备主体僵硬，抵消了水凝胶可适应人体运动的优点。虽然对一些柔性、可变形和可拉伸的 TEC 进行了探索，但这些设备需要复杂的水凝胶合成或复杂的设备组装程序，限制了其可扩展性和经济性。此外，这些 TEC 缺乏器件级自愈能力，无法从外部机械损伤中恢复。因此，让 TEC 具备自愈能力至关重要，尤其是在器件层面，这样才能从机械损伤中就地恢复，并确保持续稳定的能量输出。然而，这方面的研究仍处于探索阶段。
研究成果
可穿戴技术的发展推动了对自适应、自修复和能量自主型能源设备的需求。深圳大学陈光明&刘卓鑫教授团队创新性地引入了 MXene 增强型水凝胶电解质，加快了柔性热电化学电池(TEC)阵列的组装过程，从而避免了典型可穿戴电子设备的复杂制造过程，从而应对了这一挑战。我们的研究结果表明，水凝胶电解质在大幅变形和反复自愈循环下具有卓越的热电化学性能。由此产生的水凝胶基TEC 在20 K的AT下拉至500% 并循环 1000 次后可产生1032.1 nW 的最大功率输出，相当于其初始状态的 80%；同时，在 20 K下即使经过 60 次切愈合循环后仍可维持1179.1 nW的功率输出，约为其初始状态的 92%。组装后的 TEC 阵列具有设备级自愈能力和对人体的高适应性。它可随时应用于基于触摸的加密通信，将不同的电压信号转换成字母，它还可用作自供电传感器，现场监测人体复杂动作的各种身体运动。快速组装方法与 TEC 器件的多功能性相结合，为未来针对健身监测和人机界面的可穿戴电子产品的发展铺平了道路。相关研究以“Swift Assembly of Adaptive Thermocell Arrays for Device‑Level Healable and Energy‑Autonomous Motion Sensors”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。
研究亮点
1. MXene 增强型快速胶凝技术加快了柔性热电化学电池阵列的组装速度，克服了复杂设备制造工艺的典型限制。
2. 水凝胶电解质可在各种苛刻条件下保持稳定的热电化学性能，包括大变形、反复变形和持续变形，以及多次切割-愈合循环。
3. 组装后的热电化学电池阵列具有设备级自愈能力和对人体的高适应性，可为可穿戴应用有效收集低等级热量。
图文导读
Fig. 1 a SEM image of the stacked Ti3C2Tx MXene nanosheets after etching. b AFM image of the exfoliated Ti3C2Tx MXene nanosheet. c The corresponding height profle. d TEM image of the exfoliated Ti3C2Tx MXene nanosheet. e High-resolution TEM image of the exfoliated Ti3C2Tx MXene nanosheet. f SAED pattern of the exfoliated Ti3C2Tx MXene nanosheet. g An illustration of the gelation process of the PAA-MXene hydrogel. h Optical images before and after gelling. i SEM image of the PAA-MXene hydrogel with corresponding elemental mapping images. j FTIR spectra of various samples. k Raman spectra of various samples.
Fig. 2 a Optical images showing the high adhesiveness of the hydrogel electrolyte to various surfaces. b Stress–strain curves of various samples. c Tensile strength and elongation at break of various samples. d Stress–strain curves of various samples after self-healing. e Optical images demonstrating the stretching process of the hydrogel electrolyte after self-healing.
Fig. 3 a An illustration of the working mechanism of the TEC. b The generated voltage as a function of temperature difference after being stretched. c Measured Se values after being stretched. d The measured Se values after multiple stretching cycles at 500% strain. e Generated voltage as a function of temperature difference under sustained stretching. F Measured Se values under sustained stretching. g Generated voltage as a function of temperature difference after multiple self-healing cycles. h Measured Se values after multiple self-healing cycles. i The resistance variations after multiple self-healing cycles. Voltage, current, and power output of j the TEC under the temperature difference of 10 K, 20 K, and 30 K, k the TEC after being stretched under the temperature difference of 20 K, l the TEC after multiple stretching and cut-healing cycles under the temperature difference of 20 K.
Fig. 4 a Illustrations of the structure of a single TEC and the as-assemble strip TEC array. b An optical image showing the strip device connected to an LED bulb. c An optical image showing the strip device worn on wrist to power an LED bulb (with the assistance of a voltage amplifier). d Corresponding thermal image. e Fast voltage response to heat of the device. f A demonstration of using the voltage signal to encrypt the word “head”. g A demonstration of using the voltage signal to encrypt the phrase “I LOVE SZU”. h An optical image showing the strip device cut into two halves. i An optical image showing the self-healed strip device to support a 500 g weight. j An optical image showing the self-healed strip device to power an LED bulb by harvesting body heat.
Fig. 5 a Optical and thermal images of the TEC device fixed onto a finger. b, c Time-dependent voltage variation of the TEC under various tensile strains. d–j Voltage variation of the self-powered sensor under various body motions, including finger bending, wrist bending, elbow bending, head movements, knee bending, breathing, and shoulder movements. k Voltage variation of the self-powered sensor before and after a cut-healing process. l An illustration showing using the self-powered sensor to detect complex body movements.
总结与展望
总之，本研究成功展示了柔性 TEC阵列的快速组装方法。在独特的 MXene-boosted PAA水凝胶电解质上构建的 TEC 显示出卓越的能量收集能力，在各种具有挑战性的条件下 (包括大变形、反复变形和持续变形以及多次切割-愈合循环) 都能稳定输出能量。在 20 K的AT条件下水凝胶基 TEC 经受 1000次 500%的拉后产生 1032.1 nW的最大功率输出，相当于其初始状态的 80%；同时，在 20 K 的T条件下，即使经受60 次切制愈合后，仍可保持 1179.1 nW的最大功率输出，约为其初始状态的 92%。更重要的是，水凝胶电解质的快速胶凝特性、高柔韧性和良好的粘合性有助于快速组装 TEC 阵列设备，从而克服了可穿戴电子设备复杂制造的典型限制。由此制成的 TEC阵列具有设备级的自愈能力和对人体的高适应性。它能对人体的低热量做出快速反应(1.5 s内)，根据手指触摸行为产生不同的电压信号，从而为基于触摸的创新加密通信铺平了道路。它还适用于人体的各个部位可现场监测从细微的呼吸振动到大的关节运动等各种身体运动，能够捕捉、解读和响应复杂的人体动作。将这些可适应的 TEC 阵列与其他穿戴技术相结合，可进一步推动自供电可穿戴电子设备的发展，为个性化医疗保健、健身监测和人机接口系统提供大量机会。
文献链接
Swift Assembly of Adaptive Thermocell Arrays for Device‑Level Healable and Energy‑Autonomous Motion Sensors
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01170-x
转自：“i学术i科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
