Ионная TE-пленка использует тепло тела для питания светодиодов

1763681028
2025-11-20 22:12:00

Абстрактный

Ионные термоэлектрические (ТЭ) материалы открывают большие перспективы для носимой электроники с автономным питанием благодаря их способности преобразовывать низкопотенциальное тепло в электричество со сверхвысокими термонапряжениями. Однако их эффективность по-прежнему ограничена неполным пониманием термодинамических факторов, определяющих эффективность ионного TE. Здесь представлена термодинамически управляемая стратегия проектирования высокоэффективных ионных полимерных комплексов TE p- и n-типа. Путем адаптации взаимодействия между ионами и полимерными матрицами с помощью контролируемых синтетических подходов достигаются рекордно высокие показатели ионной эффективности (ZTi) 49,5 и 32,2, а также выдающаяся нормализованная плотность мощности 46,7 и 79,0 мВт·м-2·К-2. Гибкий ионный TE-модуль p/n-типа обеспечивает замечательное выходное напряжение 1,03 В·К-1 и нормализованную плотность мощности 981 мВт·м-2·К-2. Этот модуль питает коммерческий светодиод при градиенте температуры всего 1,5 К без внешнего усиления. Эти результаты открывают практический и масштабируемый путь к носимым системам сбора энергии на основе ионных TE.

Исследовательская группа, связанная с UNIST, представила новую термоэлектрическую (TE) пленку, способную питать светодиодные фонари, используя разницу температур между телом человека и окружающим воздухом всего в 1,5°C. Эта инновационная технология открывает новые возможности для портативных устройств с автономным питанием и приложений по сбору энергии.

Исследовательская группа, возглавляемая профессором Сунг-Ён Чангом из Школы энергетической химической инженерии UNIST, объявила о разработке термодинамически управляемой стратегии проектирования высокоэффективных ионных полимерных комплексов TE, достигнув рекордных показателей эффективности как для материалов p-типа, так и n-типа.

Функционируя как крошечные генераторы, TE-материалы преобразуют разницу температур в электрическую энергию. В ионных TE-системах движение ионов — протонов (H⁺) в материалах p-типа и ионов хлорида (Cl⁻) в материалах n-типа — приводит к генерации напряжения. При наличии небольшого градиента температуры эти ионы мигрируют и производят электрический ток.

Материал p-типа основан на проводящем полимерном композите PEDOT:PSS, а материал n-типа включает в матрицу хлорид меди (CuCl₂). В работе носителями заряда в p-типе служат протоны (H⁺), а в n-типе – ионы хлорида (Cl⁻). Оба материала легкие, гибкие, из них легко изготавливаются тонкие генераторы в форме пленки.

Рисунок 1. Характеристики сбора энергии p/n-ITEM и n-ITEM.

В ходе практических испытаний модуль, состоящий из десяти пар пленок p- и n-типа, соединенных последовательно, выдавал напряжение более 1,03 В при разнице температур всего в 1°C. Примечательно, что это позволило одной светодиодной лампочке загораться с градиентом всего лишь 1,5°C. Оценка долгосрочной стабильности подтвердила, что устройство сохранило более 95% своей первоначальной производительности после более чем двух месяцев эксплуатации в помещении.

Исследование связывает такие результаты с систематической стратегией термодинамического проектирования, которая оптимизирует взаимодействие между концентрацией ионов и диффузией внутри материалов. Тщательно анализируя и корректируя концентрации добавок, таких как CuCl₂, и внутренние структуры полимера, команда определила условия, которые максимизируют удельную мощность, не препятствуя подвижности ионов.

Донг-Ху Ким, ведущий автор, объяснил: «В материалах Ionic TE уже давно отсутствуют систематические принципы проектирования, что ограничивало их полный потенциал. Наша работа предлагает фундаментальные стратегии, позволяющие раскрыть их высокопроизводительные возможности».

Профессор Джанг подчеркнул практическое применение: «Недавно разработанные материалы тонкие и гибкие, что позволяет легко прикрепить их к коже или изогнутым поверхностям. Они могут питать носимые устройства, такие как умные часы, без батарей, а также позволяют датчикам с автономным питанием работать в средах с минимальными температурными градиентами».

Результаты этого исследования были опубликованы в Интернете в журнале Advanced Functional Materials 4 октября 2025 года. Это исследование поддерживается Министерством науки и информационных технологий (MSIT), Национальным исследовательским фондом Кореи (NRF) и программой InnoCORE.

Справочник журнала

Донг-Ху Ким, Бомин Ким, Чон-Йе Пэк и др., «Стратегия термодинамического проектирования ионных термоэлектрических полимерных комплексов с гигантской термоЭДС и плотностью энергии», Adv. Функц. Матер., (2025).

/ Публичный выпуск. Этот материал от исходной организации/автора(ов) может носить характер на определенный момент времени и отредактироваться для ясности, стиля и объема. Mirage.News не занимает институциональных позиций или сторон, и все взгляды, позиции и выводы, выраженные здесь, принадлежат исключительно автору(ам). Полный текст можно посмотреть здесь.
#Ионная #TEпленка #использует #тепло #тела #для #питания #светодиодов