热电发电机-从碳纳米管到高度自适应和柔性高性能热电发电机

为了应对当前日益增长的电力需求和化石燃料的枯竭，废热等可再生能源备受关注。然而，大部分热能，如太阳热、人体热和工程热，会无效地扩散到周围大气中。具有全天候热转换能力的柔性热电发电机(TEGs)能够将曲面的废热无噪声地直接转化为电能，从而通过废热回收提高能效，为向个人电子设备或物联网系统提供能量提供了一个有前途的潜力。但是，目前已经报道出的全固态柔性热电发电机在室温下的毫伏级别输出仍旧难以满足柔性电子产品的电能供给需求。

东华大学的Hongzhi Wang课题组使用碳纳米管薄膜作为前提，提出一种三级结构的全固态柔性热电发电机（AF-TEGs），可以在中等温差下提供高电压和较大的输出功率。同时，研究人员还提出了一种电力管理方式，可以使制备的AF-TEGs直接为商用LED和温度计进行供电。

图1：P型和N型CNT膜的掺杂机理和结构表征。（a）FCCVD-生长的CNT薄膜的图片 （b）N型和P型CNT膜的官能化机制的示意图。（c）根据测量的UPS和UV-VIS光谱，原始CNT膜和P型和N型膜的能带图。（d）用633nm激光器激发归一化的拉曼光谱，用于原始CNT膜，以及P型和N型CNT膜。（e）P型和（f）N型CNT束的TEM图像和EDS图谱。

图2：原始和官能化CNT薄膜的热电性能和力学性能。（a）电导率，（b）塞贝克系数，（c）计算功率因数，（d）导热率，（e）对应的热电优值。（f）应力-应变曲线。（g）照片显示用于测量机械性能的官能化膜的弯曲状态。（h）重复弯曲循环后塞贝克系数和薄膜的电阻。（i）200小时内N-和P型膜的电阻。

图3：从一级热电单元到二级热电薄膜的结构。（a）第二级TE膜和电流运输通路的组装配置的示意图。（b）横截面的SEM图。（c）制备的二级结构热电薄膜。（d）温差70K时的开路电压。（e）开路电压作为温差的函数。（f）温差30K 60K 90K时的电流和功率输出。（g）温差70K时的加载电压和电流。（h）作为温度差的函数，负载电压和闭环中的电流。（i）最大功率输出，特定功率密度和特定体积功率密度作为温度梯度的函数。

图4：由10层热电膜组成的三级结构示意图。（a）AF-TEG结构的示意图。（b）AF-TEG的柔性和可折叠性。（c）产生不同稳态差异的电压。（d）温差在8K 19K 34K时的电流-电压和功率-电压曲线。（e）闭环中的负载电压和电流作为温差的函数。（f）最大功率输出和AF-TEG的功率密度作为温差的函数。（g）温差33K条件下通过AF-TEG供电的电致变色窗口的演示。（h）温差33K条件下，AF-TEG的开路电压和电致变色装置的两端的电压。

图5：基于AF-TEG的热电电池概念验证。（a）不同微电子的电压和功率要求。（b）使用电力收集模块使用AF-TEG为微电子供电的电源管理的电路图。该模块基于核心BQ25504芯片，能够进行三个主要功能：电压升压，能量存储和能源管理。（c）AF-TEG提供的电力收集的输出电压。通过AF-TEG收集热能的自充电系统的可视图像，以电源（d）红色LED和（e）电子温度计。

作者提出了一种基于具有出色功率输出和功率密度的全CNT单接口热电膜的高度自适应AF-TEG的原型，由10层热电膜构成的热电发电机可以在温差44K下输出电压1.05V，在温差39K下输出功率0.95mW,同时用于为电致变色装置提供供电，证明其在建筑物或汽车上的潜在可用性。但是，值得注意的是该产品体积较大，且输出功率仍旧停留在mW级别,如何实现较小体积条件下的高功率密度输出仍将是热电发电机的攻关方向。