可穿戴电子设备：如何解决长期监测的供电难题？

可穿戴电子设备：如何解决长期监测的供电难题？

可穿戴电子产品蓬勃发展，在健康和身体监测方面有许多应用。为了全面了解身体状况，大多数可穿戴设备都包含多个传感器，以监测环境中的不同生物标志物和压力源。长期监测对设备的电源提出了更高的要求。如果没有能量收集设备，这些可穿戴健康监测设备需要频繁充电，很难实现持续检测。

近日，美国北卡罗来纳州立大学C.团队在NPJ杂志上发表了一篇题为《含金属和低碳》的文章。

该团队提出了一种制造柔性热电发电机（TEG）的新方法，该方法依赖于商业化TEG中使用的刚性组件，这些刚性组件可直接嵌入可拉伸有机硅弹性体中的液态金属中，实现柔性互连。不仅如此，面对刚性热电元件之间的热量损失，研究人员提出了一种可拉伸的气凝胶-聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料，在PDMS中实现气凝胶的包裹，使材料的热导率降低高达50％，同时又不会过度增加其刚度。实验结果表明，新型复合材料有效抑制了热电腿之间的热量泄漏，使人体腕部在行走过程中的功率密度水平接近35μWcm-2。

图 1. 通过柔性填料的热量泄漏及其对热电元件​​整个温差的影响。

C.该团队利用混合在PDMS中的气凝胶颗粒，生产出适合作为柔性TEG填充材料的低热导率气凝胶-硅胶复合材料。该复合材料是通过将气凝胶颗粒混合在未固化的PDMS中形成的。图2（a）显示了典型复合材料的横截面光学显微镜图像，从中可以看出样品没有气泡，气凝胶颗粒均匀分布在整个图像区域。为了探索硅胶可能扩散到气凝胶颗粒中的可能性，通过在直径为1厘米的固体圆柱形气凝胶片上固化PDMS来制备样品。固化后，物理去除没有PDMS渗透的气凝胶部分，并将样品切片用于横截面SEM。得到的SEM图像如图2（d）所示。

图2 气凝胶-硅胶复合材料及其热导率

图 3(a) 显示了样品的测量粘度与剪切速率的关系图。可以看出，气凝胶颗粒的尺寸和体积分数都会影响复合材料的粘度。对于较小的 2-40 μm 颗粒，粘度随体积分数的增加而增加，但几乎与剪切速率无关；这意味着牛顿行为。另一方面，对于较大的 100-700 μm 颗粒，复合材料会剪切变薄（即粘度随剪切速率降低）。在这项工作中，气凝胶体积分数必须小于 50%，以确保可靠地填充热电装置支柱之间的体积。图 3(b) 显示了具有不同气凝胶体积分数的固化复合材料的杨氏模量。对纯 PDMS 测得的模量与之前报告的值一致。如图所示，对于小气凝胶和大气凝胶颗粒尺寸，模量随气凝胶分数线性增加。 尽管如此，即使体积分数为 50%，复合材料仍保持相当的柔韧性。同样有趣的是，在体积分数相似的情况下，测量类似尺寸气凝胶颗粒夹杂物的杨氏模量也相似。

图 3 未固化和固化气凝胶-硅胶复合材料的机械性能

图 4 显示了使用 5%、7%、13% 和 20% 四种不同填充因子制造的柔性 TEG 的开路电压和功率密度。这些设备中使用的最高填充因子由喷涂的 EGaIn 线的分辨率决定，并且可以通过使用更好的模板材料和优化模板与基板之间的间距来进一步提高。为了研究填料热导率对器件性能的影响，使用三种不同的填充材料制造了器件：(i) κ = 0.15 Wm-1 K-1 的气凝胶-硅胶复合材料；(ii) κ = 0.12 Wm-1 K-1 的气凝胶-硅胶复合材料，和 (iii) κ = 0.08 Wm-1 K-1 的气凝胶-硅胶复合材料。与模拟结果一致，图 4 显示，随着填料热导率的降低，测得的 Voc 持续增加。另一方面，无论填料热导率如何，填充因子对 Voc 的影响似乎都可以忽略不计。

图4 柔性TEG开路电压与功率密度及空气速度关系

图 5 腕部柔性 TEG 的表征

为了在人体上测试这些设备，研究人员将填充系数为 20% 的柔性 TEG 集成到使用 3D 打印制成的可穿戴腕带中……

参考

, V., , Y., , T. 等人。具有金属和低。npj Flex 5, 5 (2021)。

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