Power Felt bruger kropsvarme til at generere elektricitet

(PhysOrg.com) -- Blandt de mange anvendelser af fleksible termoelektriske materialer er et armbåndsur drevet af temperaturforskellen mellem den menneskelige krop og det omgivende miljø. Men hvis du ville have dette ur lavet af billige carbon nanorør (CNT)/polymermaterialer, du har i øjeblikket brug for et stykke stof med et areal på omkring 500 cm ² , hvilket er omkring 50 gange større end arealet af et typisk armbåndsur.

For at gøre sådanne applikationer mere praktiske, et team af forskere har udviklet et nyt flerlags CNT/polymer-design og demonstreret, at det har en stærkt øget effekt sammenlignet med tidligere designs. Den nye CNT/polymer, som forskerne kalder "Power Felt, ” har også potentialet til at være meget billigere end andre termoelektriske materialer.

Forskerholdet, som omfatter ph.d. studerende Corey Hewitt og professor David Carroll fra Wake Forest University, sammen med samarbejdspartnere fra andre institutioner, har udgivet en artikel om det nye termoelektriske stofdesign i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Selvom termoelektrik er blevet undersøgt og brugt kommercielt i flere årtier, de er traditionelt lavet af uorganiske materialer, såsom vismuttellurid (Bi ₂ Te ₃ ). Men nyere forskning har vist, at organiske materialer kunne være et lovende alternativ, med fordele som lave omkostninger, let produktion, og fleksibilitet. Men for nu, organiske materialer halter stadig bagefter uorganiske med hensyn til ydeevne.

En af nøglerne til at designe et højtydende termoelektrisk stof er at skabe en stor temperaturforskel på modsatte sider af materialet. Da CNT/polymer termoelektriske materialer er meget tynde, temperaturforskellen vinkelret på filmens overflade er begrænset.

For at løse dette problem, forskerne her designet en flerlags CNT/polymer-film, der muliggør arrangement af temperaturgradienten parallelt med filmens overflade. Filmen består af op til hundredvis af vekslende lag af ledende materiale (en polymer indeholdende CNT'er) og isolerende materiale (ren polymer) bundet sammen. Hvert lag har en tykkelse på kun 25-40 µm. Når stoffet udsættes for en temperaturforskel parallelt med overfladen, elektroner eller huller bevæger sig fra den varme side til den kolde side på grund af Seebeck-effekten, som konverterer temperaturforskel til spænding.

Som forskerne forklarer, mængden af ​​genereret spænding (og samlet effekt) er lig med summen af ​​bidrag fra hvert lag. Så at tilføje lag til stoffet svarer til at tilføje spændingskilder i serie, og antallet af lag er kun begrænset af varmekildens evne til at producere en tilstrækkelig temperaturændring gennem alle lagene. Her, varmekildens temperatur er begrænset til 390 K (117 °C, 242 °F), det punkt, hvor polymeren begynder at deformeres.

Eksperimenter på et 72-lags stof viste en maksimal effektproduktion på 137 nW ved en temperaturforskel på 50 K. Men forskerne forudser, at effektudgangen kan øges; for eksempel, de beregner, at et 300-lags stof udsat for en temperaturforskel på 100 K har en teoretisk effekt på op til 5 µW.

Fra et andet perspektiv, armbåndsuret nævnt ovenfor ville kræve meget mindre stof end det nuværende krav på 500 cm ² .

"Som præsenteret, arealbehovet for vores stof er i størrelsesordenen ca. 10 cm ² , ” fortalte Carroll PhysOrg.com . "Imidlertid, formålet med papiret er at vise, at stoffets lag tilføjer sig noget lineært. Det betyder at, efterhånden som flere lag væves ind i stoffet (og disse kan være ekstraordinært tynde lag), jo mere strøm kan pakkes ind på et mindre område. Så det stof, vi viser, demonstrerer blot dette faktum, men optimerer det ikke. Dermed, det kan tage 10 cm ² af det stof, vi viser, men vi har også lavet stoffer som kun få cm ² kunne drive uret. Og vi kunne gå længere.”

Med hensyn til omkostninger, hvis CNT/polymer termoelektrik produceres i stor skala, den elektricitet, de genererer, kan koste så lidt som $1 pr. watt på grund af de lave materialeomkostninger og den lette produktion. I modsætning, Bi ₂ Te ₃ termoelektricitet genererer i øjeblikket elektricitet til en pris på omkring $7 pr. watt. Som Carroll forklarede, den sande test af materialerne vil være omkostninger.

"Det, der er anderledes i det, vi har gjort, er at producere noget i en formfaktor, der giver mulighed for påføring af store områder af materialerne, " han sagde. "Dermed, store mængder strøm kan genereres, og så længe omkostningerne er lave, så er $/W konkurrencedygtig med andre former for energiopsamling. Selvfølgelig ville dette ikke være muligt uden to store nyskabelser i avisen. Den første, som jeg allerede har påpeget, er den origami-lignende foldning af stoffet, der gør det muligt for mellemlagene at tilføje deres kraft sammen. Det andet vedrører den 'omkostning'-ting. Bemærk, at vi ikke bruger rene carbon nanorørmåtter. Hellere, vores måtter er primært råvarepolymerer tilsat nanorør. Dermed holdes omkostningerne ved det dyre element på et minimum uden at ofre den samlede ydeevne."

Forskerne forudsiger, at billige organiske termoelektriske stoffer kan have et væld af anvendelser. Udover armbåndsuret, en anden brugbar applikation kunne være vinterjakker med termoelektriske inderfor, der bruger temperaturforskellen mellem kropsvarme og udendørstemperaturen til at drive elektroniske enheder, såsom en iPod.

Andre potentielle anvendelser omfatter genindvinding af en bils spildte varmeenergi for at forbedre brændstofforbruget, 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. "Desuden, 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 . Forestille, for eksempel, 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 fremtiden, 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.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.