具有高热电性能的超柔性无机Ag2Te0.6S0.4纤维 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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具有高热电性能的超柔性无机Ag2Te0.6S0.4纤维
作者: irglass 时间: 2023-03-16 浏览:672 次

       近日,我室博士研究生傅燕青、康世亮助理研究员、林常规研究员等在期刊Advanced Science(IF=17.521)发表了题为“Superflexible Inorganic Ag2Te0.6S0.4 Fiber with High Thermoelectric Performance”的论文(10,2207642,2023)。文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202207642

       柔性热电发电机因其体积小、无移动部件和高可靠性在可穿戴电子产品中受到越来越多的关注。其中基于纤维的热电器件具有长径比大、自然柔韧性的独特结构特点,可以在各个方向编织和缠绕,有望应用于大型可穿戴系统中。基于热电纤维制备的3D 热电器件可以在垂直方向利用人体和环境之间的温差有效地将热能转化为电能。然而,尽管目前研究人员在热电纤维的制备方面进行了深入研究并取得了一定进展,但获得具有优异柔韧性和高热电性能的热电器件仍具有挑战性。

       当前基于纤维的热电器件主要由无机、有机或无机/有机复合纤维组成。最先进的无机热电纤维(如Bi2Te3、SnSe和PbTe纤维)由于其窄带隙、低热导率和独特的结构而显示出超高的热电性能。然而,无机热电材料固有的刚性和脆性导致无机热电纤维的拉伸应变仅为0.3%-1.5%,机械自由度非常有限,难以将其连接到具有任意几何形状的曲面中,从而限制了它们在可穿戴器件中的进一步应用。相比之下,有机热电纤维具有独特的柔韧性且易于制造。然而较差的电传输特性和低功率因数限制了它们在高性能可穿戴设备中的应用。通过将无机填料结合到有机基质中,无机/有机复合热电纤维通常表现出优异的热电性能和较好的柔韧性。然而,在制备过程中无机填料容易发生聚集和氧化,因此获得高质量的无机/有机复合纤维仍然面临着巨大的挑战。为了实现可穿戴电子设备的自供电,迫切需要研发兼具良好热电性能和柔韧性的新型热电纤维。

       本工作基于无机塑性半导体Ag2Te0.6S0.4,结合“管内熔融法”光纤制备方法成功制备了拉伸度高达21.2%,且能够实现各种复杂形变的无机热电纤维。更重要的是,纤维在弯曲半径~5mm下经过1000次弯曲-释放过程仍表现出较高的热电性能稳定性。将该热电纤维集成到可穿戴织物中,在20K的温差条件下,其最大归一化功率密度可达0.4 μW m-1 K-2,高于有机热电织物近两个数量级,且接近Bi2Te3基热电织物。该研究表明所制备的无机热电纤维有望应用于柔性可穿戴电子设备中。

图1. (a) 热电纤维制备示意图,插图为纤维预制棒照片、纤维截面图和不同元素的SEM面扫描图;(b) Ag2Te0.6S0.4热电纤维与报道的有机、无机和有机/无机复合纤维在最大拉伸应变和功率因子方面的比较;(c) 在室内或室外处于站立或行走状态时,对穿戴Ag2Te0.6S0.4热电织物输出电压的持续监测。