综述-推进柔性热电技术在集成电子设备中的应用
文摘
2024-10-16 10:02
上海
在太阳能、风能、地热能和潮汐能等大规模可再生能源逐渐普及的同时，进一步开发可持续能源转换技术，将不同形式的能源转换成电能，仍有巨大的潜力尚未开发。这些技术包括将热量或温差转化为电能的热电设备(TED)、利用压力发电的压电设备、利用摩擦纳米发电机以及将射频电磁波转化为电能的技术 。这些技术具有不同的能量密度范围，在实现物联网(IoT)方面发挥着关键作用。通过将这些能源转换技术与先进的储能方法相结合，可为同时提高生活质量和减少碳足迹的可持续电力解决方案奠定基础。在许多实际应用场景中，使用的能量转换技术往往不是单一的。例如，目前正在大力发展的电子皮肤(e-skin)技术通常集成了各种微电路和传感器，并结合了摩擦起电、压电和热电技术，以取代传统电池作为电源，实现可持续供电。通过利用人体与周围环境的温差(热电)和捕捉人体运动产生的能量，这些能量可持续地转化为电能。随后，通过超级电容器和放大电路等能量收集系统，可提供足够的电流和电压来驱动各种传感器，最终实现电子皮肤的各种功能，如机械检测、热感应和个人热管理。这是因为许多能量转换技术，如光伏、热电和压电等，并不一定从平面获得能量。为了更有效地利用这些非平面能源进行能量转换，这些集成能量转换设备系统需要具备一定程度的灵活性。因此，大力发展多功能、灵活的集成能量转换设备和技术是当前的研究前沿，有望极大地拓展其应用场景。
随着新的能源转换和储存技术的快速发展，以及人类生活需求的日益增长，人们对设计和建造综合能源转换和储存系统的兴趣与日俱增。这些集成系统可以同时从不同的自然能源中获取和储存能量。通过集成热电和其他形式的能量转换和储存装置，在工业和可穿戴电子设备(如电子皮肤)等领域取得了重大进展。这些前沿技术将热电能源转换与其他能源转换技术包括太阳能电池、机械发电机和湿式发电机以及可充电电池和超级电容器储能装置相结合，展示了多样化的应用场景和巨大的潜力。随着能源需求的不断增长以及传统燃料消耗所带来的气候挑战，迫切需要加快采用绿色和可持续的能源转换和储存技术。柔性热电与其他各种能源转换技术的集成发挥着至关重要的作用，可将温差、太阳能、机械力和湿度等多种形式的能源转换为电能。这些技术的发展为可持续电力解决方案奠定了基础，并推动了能源转换领域的研究进展。鉴于该领域的复杂性和快速发展，昆士兰理工大学陈志刚教授团队在本综述中详细概述了基干热电转换的多功能集成能源转换和存储技术的进展。重点在于提高材料性能、优化集成设备结构设计、实现设备灵活性以拓展其应用场景，尤其是可穿戴能源转换技术的集成化和多功能化。此外，我们还讨论了当前的发展瓶颈和未来方向，以促进该领域的不断进步。相关报道以“Advancing flexible thermoelectrics for integrated electronics”为题发表在Chemical Society Review期刊上。Fig. 1 Overview of energy storage and conversion electronics.Fig. 2 Fundamentals of thermoelectric materials and devices.Fig. 3 Structures of TEDs.Fig. 4 Thin-film and fibre-based F-TEDs achieved a normalized power density (on) of 41 mW cm 2 K 2 in the past 5 years.Fig. 5 Power requirements of portable/wearable electronics.Fig. 6 Integrated systems composed of flexible thermoelectrics and portable/wearable electronics.Fig. 7 Personal health management system.Fig. 8 Flexible concentrated solar thermoelectrics.Fig. 9 Flexible solar TEGs.Fig. 10 Complex flexible solar TEGs.本综述总结了基于热能和其他各种能源(包括太阳能、机械能和多种能源形式)的集成设备的最新进展。它特别关注灵活的设备设计、系统配置和运行原理，以及应用案例和应用场景的探索。这种集成系统通过将多个能源转换和存储单元集成到一个系统中，有效提高了能源利用效率，从而改善了整体能源利用效率。此外，集成系统还能减少组件间的布线，节省空间，使系统更加紧凑。集成系统可实现多种能量转换和储存功能，提供更广泛的应用场景和功能。由于集成了多个功能单元，集成系统可以更灵活地适应不同的环境和应用要求。这些因素凸显了复合能源转换和存储技术的重要意义，尤其是在热电和柔性热电领域，使其成为当前跨学科研究的一个焦点。目前，基于热电的集成能源转换和存储系统仍面临诸多挑战：（1）集成系统涉及材料科学、物理学、化学、数学和工程学等领域的跨学科合作，需要对各学科有全面的了解，才能应对相关的科学挑战，因此对研发工作提出了很高的要求。同时，集成系统的设计需要考虑多个能量转换和存储单元之间的匹配和协调，这使得设计过程可能更加复杂。能量转换过程中可能会出现能量损失，尤其是在能量转换的接口处。解决接口问题也是未来的一个发展方向。集成系统的灵活性、便携性和稳定性也是需要进一步关注的领域。此外，由于需要集成多个组件，并要求高精度的制造工艺，集成系统的制造成本可能相对较高。由于集成了多个组件，系统的故障率可能会增加，故障诊断和维修可能会变得更具挑战性。此外，集成系统的性能受制于单个组件的性能，有可能导致系统整体性能受到限制。（2）就热电系统本身而言，特别是基于低品位热能回收的 F-TEG 虽然展示了一种将低品位热能有效转化为电能的潜在实用方法，但热电转换材料的开发仍面临着显著的挑战。这些挑战包括材料成本高、热稳定性差和效率低。此外，柔性F-TEG 在保持柔性的同时，可能会遇到材料性能退化的问题。此外，F-TEG 的设计还必须考虑各种问题，例如对耐磨性的要求其中包括能够经受长期使用、无毒无害、不刺激皮肤、可清洗或关键部件易于更换。这些问题目前在 F-TEG 中普遍存在，急需进一步解决。（3）在众多热电混合系统中，太阳能热电混合系统几乎是唯一具有初步工业化和商业化潜力的系统，其他系统仍处于试验阶段。对于太阳能-热电混合系统来说，虽然它们可以通过集成系统节省能量损失，但目前的主要问题之一是在整体效率优化方面的投资有限。另一个问题是，由于尺寸差异和潜在的界面不匹配，太阳能组件通常很难与热电效应元件(尤其是 F-热电效应元件)完美匹配，从而导致热传递效率低下。同时，TED 中积累的大量热量会对光伏组件的性能产生不利影响。此外，TED 冷侧的精确温度控制也是目前的研究难题之一。虽然可以在冷却侧使用相变材料，但相变材料相对不稳定，传热性能不足，会导致温度分布不均匀，尤其是在冬季表现不佳。（4）基于热电和机械能的集成设备在医疗仪器、个人电子设备和其他领域具有重要意义。然而，目前的大部分工作仍停留在概念论证阶段，能量收集和转换组件的有效性仍相对有限。此外，多源混合系统可以转换不同类型的能量，并适应更广泛的环境条件。然而，由于各能源单元之间存在显著差异，如配置和工作环境，因此与单个设备相比，它们面临着更大的挑战。此外，这类混合电子设备(如可将热能和机械能转化为电能的电子皮肤)的灵活性具有巨大的市场潜力。然而，目前的研究进展仍处于早期阶段。这主要是因为很少有研究人员具备在跨学科领域开展工作的专业知识和视野。这需要具有不同科学背景的研究人员开展广泛合作。（5）尽管最近有一些概念性突破的报道，但热电和多源集成系统的实际应用在成本、效率和稳定性方面仍有相当大的差距。具体来说，电子器件的大规模生产对于实现应用至关重要大规模生产具有隆低成本和提高生产效率的优势。因此，实现 TED 及其混合电子器件的大规模生产对于商业化和大规模应用至关重要。目前，基于碲化铋块体材料的固态 TED(包括微型固态器件)已基本实现量产。然而，对于F-TED 而言，它们仍处于概念阶段，主要基于实验室设计的器件。它们正处于概念论证和潜在应用探索的早期阶段。许多关键问题，如电极、基底和拓扑结构的优化和标准化，仍未得到解决。因此，F-TED 的大规模生产尚未真正开始，更不用说基于F-TED 的混合功能电子产品的大规模生产了，而这仍然是一个遥远的目标。尽管与单个热电系统相比，对集成能源转换和存储系统，特别是基于热电的柔性系统的研究仍然相对较少，实际应用也仍然遥远，但近几十年来的研究已经在实验室规模上展示了高效和有前景的潜力，并展示了大量概念性示范。作为一个多学科的研究领域，基于热电的集成能源转换和存储系统的进一步研究将吸引能源转换和存储领域的研究人员持续开展研究工作。从材料选择和系统配置的角度来看，未来的研究和应用将在以下几个方向备受期待：（1）新材料。在开发基于 TED 和其他功能器件的柔性电子技术的过程中，材料的性能始终是至关重要的。目前，柔性混合电子技术所需的材料主要包括柔性无机材料、有机聚合物材料及其复合材料。在这些混合器件中，这些材料以各种形式出现，如柔性薄膜、纤维，甚至是高塑性的块状材料。材料性能的提升同时关注热电材料和用于不同集成功能器件的材料。随着新材料的不断开发和应用，这些基于热电材料和器件的柔性集成电子器件的性能和应用范围将不断提高。尤其是先进纳米材料的应用，将大大拓展柔性集成电子器件的应用范围。纳米材料具有优异的光电、磁电、热电、机械和传感性能，可广泛应用于柔性集成电子学领域。（2）新技术。与传统电子技术相比，基于 TED 和各种功能器件的柔性混合电子技术所需的加工技术有很大不同。随着柔性混合电子技术的发展，开发适合柔性材料和器件的新加工技术至关重要。具体而言，利用纳米技术开发纳米制造技术将大大提高这些柔性混合电子器件的加工精度和效率。这些加工技术的应用将极大地推动柔性电子技术的发展。此外，标准化、大规模生产和商业化也是未来逐步实现的必然步骤。（3）新应用。基于 TED 和各种功能器件的柔性混合电子技术的应用与新型器件的发展密不可分。与传统的刚性电子技术相比，柔性电子技术提供了更广泛的设备类型和应用场景。例如，便携式智能可穿戴设备、柔性电子标签、可弯曲显示器和柔性传感器等。这些设备的开发将进一步拓展柔性混合电子技术的应用领域。例如，采用柔性混合电子技术的智能手环可以监测和分析健康状况。智能眼镜可以实现头部姿势和手势识别功能。柔性电子标签在智能物流、防伪溯源、环境监测和医疗领域有着广泛的应用。在医疗领域柔性电子标签可用于药物监测、身份识别和物品追踪，与传统电子标签相比，具有更轻更薄、可弯曲、可适应各种曲面等优点。此外，柔性传感器作为一种新型传感器，可以检测物理、化学和生物数量。与传统传感器相比，柔性传感器更小、更轻、更灵活，适用于多种应用。其应用领域包括智能家居、智能机器人、汽车传感器和医疗诊断。例如在医疗领域，柔性传感器可以监测和诊断健康状况。综上所述，基于 TED 和各种功能器件的柔性混合电子技术的应用领域极为广泛，未来还将出现更多的应用场景。柔性电子技术的应用将进一步推动智能制造等技术的发展，为人类的生产和生活带来更多便利和可能。Advancing flexible thermoelectrics for integrated electronics*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
