(PhysOrg.com) -- Een van de vele toepassingen van flexibele thermo-elektrische materialen is een polshorloge dat wordt aangedreven door het temperatuurverschil tussen het menselijk lichaam en de omgeving. Maar als u dit horloge van goedkope koolstofnanobuisjes (CNT)/polymeermaterialen wilt, je hebt momenteel een stuk stof nodig met een oppervlakte van ongeveer 500 cm ² , wat ongeveer 50 keer groter is dan het oppervlak van een typisch polshorloge.

Om dergelijke toepassingen praktischer te maken, een team van onderzoekers heeft een nieuw meerlaags CNT/polymeer-ontwerp ontwikkeld en aangetoond dat het een sterk verhoogd vermogen heeft in vergelijking met eerdere ontwerpen. De nieuwe CNT/polymeer, die de onderzoekers “Power Felt, ” heeft ook het potentieel om veel goedkoper te zijn dan andere thermo-elektrische materialen.

Het onderzoeksteam, waaronder Ph.D. student Corey Hewitt en professor David Carroll van Wake Forest University, samen met medewerkers van andere instellingen, heeft een artikel gepubliceerd over het nieuwe thermo-elektrische weefselontwerp in een recent nummer van: Nano-letters .

Hoewel thermo-elektriciteit al tientallen jaren wordt bestudeerd en commercieel wordt gebruikt, ze zijn traditioneel gemaakt van anorganische materialen, zoals bismuttelluride (Bi ₂ Te ₃ ). Maar recent onderzoek heeft aangetoond dat organische materialen een veelbelovend alternatief kunnen bieden, met voordelen zoals lage kosten, gemak van productie, en flexibiliteit. Maar voor nu, organische materialen blijven nog steeds achter bij anorganische materialen in termen van prestaties.

Een van de sleutels voor het ontwerpen van een hoogwaardige thermo-elektrische stof is het creëren van een groot temperatuurverschil aan weerszijden van het materiaal. Aangezien CNT/polymeer thermo-elektrische materialen erg dun zijn, het temperatuurverschil loodrecht op het oppervlak van de film is beperkt.

Om dit probleem aan te pakken, de onderzoekers hier ontwierpen een meerlagige CNT/polymeerfilm die het mogelijk maakt om de temperatuurgradiënt evenwijdig aan het oppervlak van de film te rangschikken. De film bestaat uit tot honderden afwisselende lagen geleidend materiaal (een polymeer dat CNT's bevat) en isolatiemateriaal (puur polymeer) die aan elkaar zijn gehecht. Elke laag heeft een dikte van slechts 25-40 µm. Wanneer de stof onderhevig is aan een temperatuurverschil evenwijdig aan het oppervlak, elektronen of gaten reizen van de warme kant naar de koude kant vanwege het Seebeck-effect, die temperatuurverschil omzet in spanning.

Zoals de onderzoekers uitleggen, de hoeveelheid gegenereerde spanning (en het totale vermogen) is gelijk aan de som van de bijdragen van elke laag. Dus het toevoegen van lagen aan de stof is gelijk aan het toevoegen van spanningsbronnen in serie, en het aantal lagen wordt alleen beperkt door het vermogen van de warmtebron om in alle lagen een voldoende verandering in temperatuur teweeg te brengen. Hier, de temperatuur van de warmtebron is beperkt tot 390 K (117 °C, 242 ° F), het punt waarop het polymeer begint te vervormen.

Experimenten op een 72-laags weefsel toonden een maximale stroomopwekking van 137 nW bij een temperatuurverschil van 50 K. Maar de onderzoekers voorspellen dat het vermogen kan worden verhoogd; bijvoorbeeld, ze berekenen dat een weefsel van 300 lagen dat wordt blootgesteld aan een temperatuurverschil van 100 K een theoretisch uitgangsvermogen heeft van maximaal 5 µW.

Vanuit een ander perspectief, het hierboven genoemde polshorloge zou veel minder stof nodig hebben dan de huidige eis van 500 cm ² .

“Zoals gepresenteerd, de oppervlaktevereiste van onze stof is in de orde van ongeveer 10 cm ² , Carroll vertelde PhysOrg.com . "Echter, het punt van het papier is om te laten zien dat de lagen van de stof enigszins lineair worden toegevoegd. Dit betekent dat, naarmate er meer lagen in de stof worden geweven (en dit kunnen buitengewoon dunne lagen zijn), hoe meer vermogen in een kleiner gebied kan worden verpakt. Dus de stof die we laten zien, demonstreert dit feit eenvoudig, maar optimaliseert het niet. Dus, het kan 10 cm . duren ² van de stof die we laten zien, maar we hebben ook stoffen gemaakt waarvoor slechts enkele cm ² kan het horloge van stroom voorzien. En we zouden nog verder kunnen gaan.”

In termen van kosten, als CNT/polymeer thermo-elektrisch materiaal op grote schaal wordt geproduceerd, de elektriciteit die ze genereren, kan slechts $ 1 per watt kosten vanwege de lage materiaalkosten en het gemak van productie. In tegenstelling tot, Bi ₂ Te ₃ thermo-elektriciteit wekt momenteel elektriciteit op tegen een kostprijs van ongeveer $ 7 per watt. Zoals Carroll uitlegde, de echte test van de materialen zal kosten zijn.

“Wat anders is in wat we hebben gedaan, is om iets te produceren in een vormfactor die de toepassing van grote delen van de materialen mogelijk maakt, " hij zei. "Dus, grote hoeveelheden stroom kunnen worden opgewekt en zolang de kosten laag zijn, dan is de $/W concurrerend met andere vormen van energieopvang. Dit zou natuurlijk niet mogelijk zijn zonder twee grote vernieuwingen in de krant. De eerste, zoals ik al aangaf, is het origami-achtige vouwen van de stof waardoor de tussenlagen hun kracht samen kunnen voegen. De tweede heeft betrekking op dat 'kosten'-ding. Merk op dat we geen pure koolstof nanobuismatten gebruiken. Liever, onze matten zijn voornamelijk basispolymeren waaraan nanobuisjes zijn toegevoegd. Zo worden de kosten van het dure element tot een minimum beperkt zonder dat dit ten koste gaat van de algehele prestaties.”

The researchers predict that low-cost organic thermoelectric fabrics could have a multitude of applications. Besides the wristwatch, another wearable application could be winter jackets with thermoelectric inside liners that use the temperature difference between body heat and the outdoor temperature to power electronic devices, such as an iPod.

Other potential applications include recapturing a car’s wasted heat energy in order to improve fuel mileage, 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. “Furthermore, 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 . Imagine, bijvoorbeeld, 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.”

In de toekomst, 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 rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.