Niet-toxische, flexibele energieomzetters kunnen draagbare apparaten van stroom voorzien

Een grote verscheidenheid aan draagbare en draagbare elektronica is een groot deel van ons dagelijks leven geworden, dus een groep onderzoekers van Stanford University vroeg zich af of deze konden worden aangedreven door elektriciteit te oogsten uit de afvalwarmte die overal om ons heen bestaat.

Verdere inspiratie kwam van de wens om uiteindelijk energieomzettingsapparaten te fabriceren van dezelfde materialen als de actieve apparaten zelf, zodat ze kunnen opgaan als een integraal onderdeel van het totale systeem. Tegenwoordig zijn de voedingen van veel biomedische nanodevices afkomstig van verschillende soorten batterijen die moeten worden gescheiden van het actieve deel van de systemen, wat niet ideaal is.

In Applied Physics Letters, rapporteren de onderzoekers het ontwerp en de fabricage van thermo-elektrische apparaten met enkelwandige koolstofnanobuisjes op flexibele polyimidesubstraten als basis voor draagbare energieomzetters.

“Koolstofnanobuisjes zijn eendimensionale materialen die bekend staan ​​om hun goede thermo-elektrische eigenschappen, wat inhoudt dat er een spanning overheen wordt ontwikkeld in een temperatuurgradiënt”, zegt Eric Pop, hoogleraar elektrotechniek en materiaalkunde. “De uitdaging is dat koolstofnanobuisjes ook een hoge thermische geleidbaarheid hebben, wat betekent dat het moeilijk is om er een thermische gradiënt overheen te houden, en het was moeilijk om ze tegen lage kosten in thermo-elektrische generatoren te assembleren.”

De groep gebruikt bedrukte netwerken van koolstofnanobuisjes om beide uitdagingen aan te pakken.

“Spaghetti-netwerken van koolstofnanobuisjes hebben bijvoorbeeld een veel lagere thermische geleidbaarheid dan alleen genomen koolstofnanobuisjes, vanwege de aanwezigheid van knooppunten in de netwerken die de warmtestroom blokkeren”, zei Pop. “Ook kan het direct printen van dergelijke netwerken van koolstofnanobuisjes hun kosten aanzienlijk verlagen wanneer ze worden opgeschaald.”

Thermo-elektrische apparaten wekken lokaal elektrische stroom op “door afvalwarmte van persoonlijke apparaten, apparaten, voertuigen, commerciële en industriële processen, computerservers, in de tijd variërende zonne-verlichting en zelfs het menselijk lichaam te hergebruiken”, aldus Hye Ryoung Lee, hoofdauteur en onderzoeker. wetenschapper.

“Om de belemmeringen voor grootschalige toepassing van thermo-elektrische materialen – toxiciteit, materiaalschaarste, mechanische broosheid – te elimineren – bieden koolstofnanobuisjes een uitstekend alternatief voor andere veelgebruikte materialen,” zei Lee.

De aanpak van de groep toont een pad naar het gebruik van koolstofnanobuisjes met bedrukbare elektroden op flexibele polymeersubstraten in een proces dat naar verwachting economisch zal zijn voor productie van grote volumes. Het is ook “groener” dan andere processen, omdat water als oplosmiddel wordt gebruikt en extra doteermiddelen worden vermeden.

Flexibele en draagbare energieoogstmachines kunnen worden ingebed in stoffen of kleding of op ongebruikelijke vormen en vormfactoren worden geplaatst.

“In tegenstelling, traditionele thermo-elektrische materialen die afhankelijk zijn van bismut-telluride zijn broos en stijf, met beperkte toepassingen”, zei Pop. “Op koolstof gebaseerde thermo-elektrische materialen zijn ook milieuvriendelijker dan die op basis van zeldzame of giftige materialen zoals bismut en telluur.”

Het belangrijkste concept in het werk van de groep is om “energie zoveel mogelijk te recyclen, door ongelijke warmteverdeling om te zetten in elektrische energie voor gebruik in de volgende cyclus, wat we hebben aangetoond door gebruik te maken van niet-toxische op nanobuisjes gebaseerde thermo-elektrische opwekking”, aldus Yoshio. Nishi, een professor in elektrotechniek. “Dit concept is volledig in overeenstemming met het wereldwijde doel om ons totale energieverbruik te verminderen.”