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    深圳大學劉卓鑫/陳光明教授綜述:聚合物基復合材料助力柔性熱電器件發展
    2020-06-12  來源:高分子科技

      近二十年來,便攜式和用于可穿戴應用的柔性電子器件的研究快速增長,其中能源材料作為各種電子器件不可缺少的部件而備受關注。目前被廣泛采用的電池和超級電容器作為儲能系統,由于其頻繁充電/更換/維護的要求、結構的復雜性以及固有的安全性問題,在高度集成的柔性電子的應用中可能會存在著一些限制。熱電器件具有無振動、無噪音、無氣體排放和壽命長等優點,因而有望成為部分高度集成、能源自主和生態友好型電子產品的可靠替代電源。

     


      要實現柔性熱電器件的實際應用,應重視兩個方面:(1)開發具有本征高ZT值(或PF值)的高性能熱電材料;2)合理設計組裝高性能柔性熱電器件。盡管在過去幾十年中取得了顯著的進步,但目前熱電材料的ZT值仍遠不能令人滿意(室溫下通常<1)。如果期望獲得接近卡諾效率的實際理想器件效率,目標ZT值應大于3。因此,對于理想的熱電材料來說,應具備高Seebeck系數S、高電導率σ和低熱導率κ。然而,要同時滿足這三個方面的需求是極其困難的,因為S、σ和κ這三個參數相互依賴、存在著權衡,改善其中一個參數的策略可能會不可避免地引起其他參數的負面變化。一個有望規避這種困境的解決方案是構建復合材料,將聚合物的低熱導率與其他熱電填料(比如無機半導體或碳納米顆粒)的高Seebeck系數和/或高電導率結合起來。這種復合并不僅僅是性能上的簡單混合相加,因為兩種或多種材料之間引入的界面可能會形成額外的載流子通路,并引發能量過濾效應,從而達到協同增強熱電性能的目的。再加上聚合物基體固有的高柔韌性,可以方便制備高性能的柔性熱電材料。此外,在器件設計和組裝方面,目前文獻展示的柔性熱電器件只能提供幾微瓦到幾毫瓦的輸出功率,因而要最大限度地提高輸出功率以及優化能量的利用效率。具體來說,一方面,熱電器件往往會采用更多的熱電腿串聯來產生高的輸出電壓,不同的使用場景要求的熱電器件的結構也不盡相同。這些都會使相應的器件設計復雜化,對器件層面的柔性提出了更高的要求;另一方面,熱電器件的結構和熱電腿的排列會極大地影響器件的效率,因為它們直接關系到溫度梯度的維持以及熱損耗和內部熱阻/電阻的優化。因此,對熱電腿的尺寸和排列、基體的成分和厚度、電路的布置等器件參數進行全面考慮、實施合理的器件設計也至關重要。


      因此,大力發展高性能的聚合物基復合熱電材料并對相應器件進行合理設計,有望助力柔性熱電器件的實際應用。在本綜述中,作者首先介紹了聚合物基復合熱電材料的一些基本原理,然后根據填料的種類詳細總結了聚合物基復合熱電材料的最新進展,并概述了能夠有效提高聚合物基復合熱電材料性能的一些策略。隨后,作者介紹了基于聚合物基復合材料的柔性熱電器件的最新設計策略,并對這一蓬勃發展的領域作出了展望。該論文以“Advancing Flexible Thermoelectric Devices with Polymer Composites”為題發表在Advanced Materials Technologies上,論文的第一作者為深圳大學材料學院劉卓鑫助理教授,通訊作者為深圳大學材料學院陳光明特聘教授


      論文鏈接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.202000049


    作者簡介


     


      劉卓鑫博士,深圳大學材料學院助理教授。2012年和2015年于四川大學分別獲得學士、碩士學位,2019年于香港城市大學獲得博士學位。主要從事的研究領域為柔性能源器件,包括有機/無機復合熱電器件、超級電容器、水系金屬離子電池等。目前已在 Chem. Soc. Rev.(一作)、Adv. Energy Mater. (一作)、Nano Energy(一作2篇)和Energy Storage Mater. (一作) 等期刊上發表論文40多篇,申請美國專利2項。

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    (責任編輯:xu)
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