Flexibele thermo-elektrische vezels voor wearables zorgen voor stabiele energieprestaties in extreme omgevingen

Een team van Koreaanse onderzoekers heeft een thermo-elektrisch materiaal ontwikkeld dat kan worden gebruikt in draagbare apparaten zoals slimme kleding en dat zelfs in extreme omgevingen stabiele thermische energieprestaties behoudt. Het heeft op dramatische wijze het dilemma opgelost van het vinden van een evenwicht tussen het bereiken van goede prestaties en de mechanische flexibiliteit van thermo-elektrische materialen, wat al lang een uitdaging is op het gebied van thermo-elektrische materialen, en heeft ook de mogelijkheid van commercialisering bewezen.

Het gezamenlijke onderzoeksteam van professor Yeon Sik Jung van de afdeling Materials Science and Engineering en professor Inkyu Park van de afdeling Werktuigbouwkunde, in samenwerking met de onderzoeksteams van professor Min-Wook Oh van Hanbat National University en Dr. Jun-Ho Jeong van het Korea Institute of Machinery and Materials heeft met succes bismuttelluride (Bi₂Te₃) thermo-elektrische vezels, een innovatieve oplossing voor het oogsten van energie voor flexibele elektronische apparaten van de volgende generatie.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.

Thermo-elektrische materialen zijn materialen die bij een temperatuurverschil spanning opwekken en thermische energie omzetten in elektrische energie. Momenteel is ongeveer 70% van de energie die verloren gaat verspilde warmte. Daarom wordt er aandacht besteed aan onderzoek naar duurzame energiematerialen die energie uit deze restwarmte kunnen terugwinnen en oogsten.

De meeste warmtebronnen om ons heen zijn gebogen, zoals het menselijk lichaam, de uitlaatpijpen van voertuigen en de koelribben. Anorganische thermo-elektrische materialen op basis van keramische materialen beschikken over hoge thermo-elektrische prestaties, maar zijn kwetsbaar en moeilijk in gebogen vormen te produceren. Ondertussen kunnen flexibele thermo-elektrische materialen die bestaande polymeerbindmiddelen gebruiken, worden aangebracht op oppervlakken met verschillende vormen, maar hun prestaties zijn beperkt vanwege de lage elektrische geleidbaarheid en hoge thermische weerstand van het polymeer.

Bestaande flexibele thermo-elektrische materialen bevatten polymeeradditieven, maar het door het onderzoeksteam ontwikkelde anorganische thermo-elektrische materiaal is niet flexibel. Daarom hebben ze deze beperkingen overwonnen door nanolinten te draaien in plaats van additieven om een ​​draadvormig thermo-elektrisch materiaal te produceren.

Geïnspireerd door de flexibiliteit van anorganische nanolinten, gebruikte het onderzoeksteam een ​​op nanomold gebaseerde elektronenbundeldepositietechniek om continu nanolinten af ​​te zetten en deze vervolgens in een draadvorm te draaien om bismuttelluride (Bi₂Te₃) anorganische thermo-elektrische vezels.

Deze anorganische thermo-elektrische vezels hebben een hogere buigsterkte dan bestaande thermo-elektrische materialen en vertoonden vrijwel geen verandering in de elektrische eigenschappen, zelfs na herhaalde buig- en trekproeven van meer dan 1.000 keer. Het thermo-elektrische apparaat dat door het onderzoeksteam is gemaakt, wekt elektriciteit op met behulp van temperatuurverschillen, en als kleding wordt gemaakt met thermo-elektrische apparaten van het vezeltype, kan elektriciteit worden opgewekt uit de lichaamstemperatuur om andere elektronische apparaten te bedienen.

In feite werd de mogelijkheid van commercialisering bewezen door een demonstratie van het verzamelen van energie door thermo-elektrische vezels in reddingsvesten of kleding in te bedden. Bovendien opende het de mogelijkheid om een ​​zeer efficiënt systeem voor het oogsten van energie te bouwen dat afvalwarmte recycleert door gebruik te maken van het temperatuurverschil tussen de hete vloeistof in een pijp en de koude lucht buiten in industriële omgevingen.

Professor Yeon Sik Jung zei: “Het anorganische flexibele thermo-elektrische materiaal dat in dit onderzoek is ontwikkeld, kan worden gebruikt in draagbare apparaten zoals slimme kleding, en het kan stabiele prestaties behouden, zelfs in extreme omgevingen, dus de kans is groot dat het door aanvullend onderzoek op de markt wordt gebracht. in de toekomst.”

Professor Inkyu Park voegde hieraan toe: “Deze technologie zal de kern worden van de volgende generatie technologie voor het oogsten van energie, en zal naar verwachting een belangrijke rol spelen op verschillende gebieden, van het gebruik van afvalwarmte op industriële locaties tot persoonlijke draagbare apparaten voor het opwekken van eigen energie.”