Термоэлектрическая пленка на телесной теплоте питает светодиоды

Исследователи из Национального университета науки и технологий Ульсана (UNIST) разработали новаторскую термоэлектрическую (ТЭ) пленку, способную питать светодиодные лампы, используя минимальную разницу температур всего в 1,5°C между человеческим телом и окружающим воздухом. Эта передовая технология открывает новые горизонты для создания носимых устройств с автономным питанием и систем сбора энергии.

Команда под руководством профессора Сонг-Йон Джана из Школы энергетической химической инженерии UNIST представила стратегию проектирования высокопроизводительных ионных полимерных комплексов для ТЭ-преобразования. Результатом стали рекордные показатели производительности для материалов как p-типа, так и n-типа, что значительно превосходит существующие аналоги.

Принцип работы термоэлектрических материалов заключается в преобразовании разницы температур в электрическую энергию. В ионных ТЭ-системах движение ионов – протонов (H⁺) в материалах p-типа и хлорид-ионов (Cl⁻) в материалах n-типа – инициирует выработку напряжения. При наличии даже небольшого температурного градиента эти ионы мигрируют, генерируя электрический ток.

Новые материалы, представляющие собой гибкий полимерный композит, достигли рекордных показателей ионной добротности (ZTi): 49,5 для p-типа и 32,2 для n-типа. Это означает улучшение более чем на 70% по сравнению с предыдущими разработками. Такая высокая эффективность позволяет получать достаточную мощность от минимальных температурных перепадов (менее 2°C) для питания электронных устройств.

Материал p-типа основан на проводящем полимерном композите PEDOT:PSS, тогда как в материал n-типа добавлен хлорид меди (CuCl₂). В процессе работы протоны (H⁺) выступают в качестве носителей заряда в p-типе, а хлорид-ионы (Cl⁻) – в n-типе. Оба материала отличаются легкостью, гибкостью и простотой изготовления в виде тонких пленочных генераторов.

В ходе практических испытаний модуль, состоящий из десяти пар последовательно соединенных пленок p- и n-типа, произвел более 1,03 вольт при разнице температур всего в 1°C. Примечательно, что этого было достаточно для зажигания одной светодиодной лампы при градиенте в 1,5°C. Оценки долгосрочной стабильности показали, что устройство сохранило более 95% своей первоначальной производительности после двух месяцев эксплуатации в помещении.

Исследователи связывают достигнутую производительность с систематической термодинамической стратегией проектирования, которая оптимизирует взаимодействие между концентрацией и диффузией ионов в материалах. Тщательно анализируя и регулируя концентрации добавок, таких как CuCl₂, и внутреннюю структуру полимеров, команда определила условия, максимально увеличивающие плотность мощности без ущерба для подвижности ионов.

«Ионные ТЭ-материалы долгое время страдали от отсутствия систематических принципов проектирования, что ограничивало их полный потенциал. Наша работа предлагает фундаментальные стратегии для раскрытия их высокопроизводительных возможностей», — пояснил ведущий автор Донг-Ху Ким.

Профессор Джан добавил: «Новые разработанные материалы тонкие и гибкие, что позволяет легко прикреплять их к коже или изогнутым поверхностям. Они могут питать носимые устройства, такие как смарт-часы, без использования батарей, и обеспечивать работу самопитающихся датчиков в условиях с минимальными температурными градиентами».