Den flexibla, Lätt termoelektrisk tyg av CNT/polymer innehåller hundratals alternerande lager av ledande och isolerande material. Bildkredit:Hewitt, et al. ©2012 American Chemical Society
(PhysOrg.com) - Bland de många tillämpningarna av flexibla termoelektriska material finns ett armbandsur som drivs av temperaturskillnaden mellan människokroppen och den omgivande miljön. Men om du ville ha den här klockan gjord av billiga kolnanorör (CNT)/polymermaterial, du skulle för närvarande behöva en bit tyg med en yta på cirka 500 cm 2 , vilket är ungefär 50 gånger större än området för ett typiskt armbandsur.
För att göra sådana tillämpningar mer praktiska, ett team av forskare har utvecklat en ny flerlagers CNT/polymerdesign och visat att den har en kraftigt ökad effekt jämfört med tidigare konstruktioner. Den nya CNT/polymeren, som forskarna kallar "Power Felt, ” har också potential att vara mycket billigare än andra termoelektriska material.
Forskargruppen, som inkluderar Ph.D. student Corey Hewitt och professor David Carroll från Wake Forest University, tillsammans med medarbetare från andra institutioner, har publicerat en artikel om den nya termoelektriska tygdesignen i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
Även om termoelektrik har studerats och använts kommersiellt i flera decennier, de är traditionellt gjorda av oorganiska material, såsom vismuttellurid (Bi 2 Te 3 ). Men ny forskning har visat att organiska material kan ge ett lovande alternativ, med fördelar som låg kostnad, enkel produktion, och flexibilitet. Ändå för nu, organiska material ligger fortfarande efter oorganiska när det gäller prestanda.
En av nycklarna för att designa ett högpresterande termoelektriskt tyg är att skapa en stor temperaturskillnad på motsatta sidor av materialet. Eftersom CNT/polymer termoelektriska material är mycket tunna, temperaturskillnaden vinkelrätt mot filmens yta är begränsad.
För att lösa detta problem, forskarna här designade en flerskiktad CNT/polymerfilm som möjliggör placering av temperaturgradienten parallellt med filmens yta. Filmen består av upp till hundratals alternerande lager av ledande material (en polymer som innehåller CNT) och isoleringsmaterial (ren polymer) sammanbundna. Varje lager har en tjocklek på bara 25-40 µm. När tyget utsätts för en temperaturskillnad parallellt med ytan, elektroner eller hål rör sig från den varma sidan till den kalla sidan på grund av Seebeck-effekten, som omvandlar temperaturskillnaden till spänning.
Som forskarna förklarar, mängden genererad spänning (och total uteffekt) är lika med summan av bidrag från varje lager. Så att lägga till lager i tyget är likvärdigt med att lägga till spänningskällor i serie, och antalet lager begränsas endast av värmekällans förmåga att producera en tillräcklig temperaturförändring i alla skikten. Här, värmekällans temperatur är begränsad till 390 K (117 °C, 242 °F), den punkt vid vilken polymeren börjar deformeras.
När flerskiktstyget utsätts för en temperaturgradient, laddningsbärare (elektroner eller hål) reser från den varma sidan till den kalla sidan på grund av Seebeck -effekten. Den resulterande spänningen kan avläsas över ändarna av det första och sista ledningsskiktet. Bildkredit:Hewitt, et al. © 2012 American Chemical Society
Experiment på ett 72-lagers tyg visade en maximal effektgenerering på 137 nW vid en temperaturskillnad på 50 K. Men forskarna förutspår att effekten kan ökas; till exempel, de beräknar att ett 300-lagers tyg som utsätts för en temperaturskillnad på 100 K har en teoretisk uteffekt på upp till 5 µW.
Ur ett annat perspektiv, armbandsuret som nämns ovan skulle kräva mycket mindre tyg än det nuvarande kravet på 500 cm 2 .
"Som presenterat, arealkravet på vårt tyg är i storleksordningen cirka 10 cm 2 , ” berättade Carroll PhysOrg.com . "Dock, poängen med papperet är att visa att tygets lager lägger sig något linjärt. Detta innebär att, eftersom fler lager vävs in i tyget (och det kan vara utomordentligt tunna lager), desto mer kraft kan packas på ett mindre område. Så tyget vi visar visar helt enkelt detta faktum men optimerar det inte. Således, det kan ta 10 cm 2 av tyget vi visar, men vi har även gjort tyger som bara några cm 2 kunde driva klockan. Och vi skulle kunna gå längre."
När det gäller kostnad, om CNT/polymer termoelektricitet produceras i stor skala, elen de genererar kan kosta så lite som 1 USD per watt på grund av den låga materialkostnaden och enkla produktionen. I kontrast, Bi 2 Te 3 termoelektricitet genererar för närvarande elektricitet till en kostnad av cirka 7 dollar per watt. Som Carroll förklarade, det verkliga testet av materialen kommer att vara kostnaden.
"Det som är annorlunda i det vi har gjort är att producera något i en formfaktor som tillåter applicering av stora ytor av materialen, " han sa. "Således, stora mängder kraft kan genereras och så länge kostnaden är låg, då är $/W konkurrenskraftig med andra former av energifångst. Naturligtvis skulle detta inte vara möjligt utan två stora innovationer i tidningen. Den första, som jag redan har påpekat, är den origamiliknande vikningen av tyget som gör att mellanskikten kan lägga samman sin kraft. Det andra avser det där med ”kostnaden”. Observera att vi inte använder nanorörsmattor av rena kol. Snarare, våra mattor är främst råvarupolymerer med tillsatta nanorör. Således hålls kostnaden för det dyra elementet på ett minimum utan att det går ut över den totala prestandan. ”
The researchers predict that low-cost organic thermoelectric fabrics could have a multitude of applications. Besides the wristwatch, another wearable application could be winter jackets with thermoelectric inside liners that use the temperature difference between body heat and the outdoor temperature to power electronic devices, such as an iPod.
Other potential applications include recapturing a car’s wasted heat energy in order to improve fuel mileage, and lining a vehicle’s seats with the fabric to provide electricity for the vehicle’s battery. If installed under roof shingles, the fabric could generate electricity on hot days to help lower a building’s electricity bills. And in emergencies, the fabric could potentially be used to power a cell phone or flashlight.
“There are a very wide variety of applications for which these materials will now be perfectly adequate [with their current power output], ” Carroll said. “Furthermore, if more power is required, there is the option of simply making larger sheets of fabric. Because of the cost advantages, this is still cheaper than going to more expensive Bi 2 Te 3 . Imagine, till exempel, putting this material throughout the bodies of automobiles, supplying both sound dampening (which they must already do) and adding the functionality of power scavenging for only a nominal cost above the materials used currently. As with all organic electronics, the real transformative power of this innovation lies in its economic vs. technical advantages.”
I framtiden, the researchers plan to further improve the power output of each film, using methods such as chemical treatment of the CNTs and increasing the electrical conductivity of the polymers.
“Will we improve the performance? YES!” Carroll said. “We have already begun making significant advances in improving the overall power output and there is much more ground to cover. For you physics readers out there, the basic principle of suppressed phonon modes through scattering processes, coupled with fractal networks made of sections of phase coherent transport, is still young and we are confident we have not yet tapped into the real potential yet.”
Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
