El flexible El tejido termoeléctrico de polímero / CNT ligero contiene cientos de capas alternas de material conductor y aislante. Crédito de la imagen:Hewitt, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
(PhysOrg.com) - Entre las muchas aplicaciones de los materiales termoeléctricos flexibles se encuentra un reloj de pulsera que funciona con la diferencia de temperatura entre el cuerpo humano y el entorno circundante. Pero si quisiera este reloj hecho de nanotubos de carbono (CNT) / materiales de polímero de bajo costo, actualmente necesitaría un trozo de tela con un área de aproximadamente 500 cm 2 , que es aproximadamente 50 veces mayor que el área de un reloj de pulsera típico.
Para que estas aplicaciones sean más prácticas, un equipo de investigadores ha desarrollado un nuevo diseño de polímero / CNT multicapa y ha demostrado que tiene una potencia de salida mucho mayor en comparación con los diseños anteriores. El nuevo CNT / polímero, que los investigadores llaman "Power Felt, ”También tiene el potencial de ser mucho menos costoso que otros materiales termoeléctricos.
El equipo de investigación que incluye Ph.D. estudiante Corey Hewitt y el profesor David Carroll de la Universidad de Wake Forest, junto a colaboradores de otras instituciones, ha publicado un artículo sobre el nuevo diseño de tejido termoeléctrico en un número reciente de Nano letras .
Aunque los termoeléctricos se han estudiado y utilizado comercialmente durante varias décadas, están hechos tradicionalmente de materiales inorgánicos, como el telururo de bismuto (Bi 2 Te 3 ). Pero una investigación reciente ha demostrado que los materiales orgánicos podrían proporcionar una alternativa prometedora, con ventajas como el bajo costo, facilidad de producción, y flexibilidad. Sin embargo, por ahora los materiales orgánicos todavía están a la zaga de los inorgánicos en términos de rendimiento.
Una de las claves para diseñar un tejido termoeléctrico de alto rendimiento es crear una gran diferencia de temperatura en los lados opuestos del material. Dado que los materiales termoeléctricos de CNT / polímero son muy delgados, la diferencia de temperatura perpendicular a la superficie de la película es limitada.
Para abordar este problema, Los investigadores diseñaron aquí una película de polímero / CNT multicapa que permite la disposición del gradiente de temperatura en paralelo a la superficie de la película. La película consta de hasta cientos de capas alternas de material conductor (un polímero que contiene CNT) y material aislante (polímero puro) unidos entre sí. Cada capa tiene un grosor de solo 25-40 µm. Cuando la tela está sujeta a una diferencia de temperatura paralela a la superficie, los electrones o agujeros viajan del lado caliente al lado frío debido al efecto Seebeck, que convierte la diferencia de temperatura en voltaje.
Como explican los investigadores, la cantidad de voltaje generado (y la potencia total de salida) es igual a la suma de las contribuciones de cada capa. Entonces, agregar capas a la tela es equivalente a agregar fuentes de voltaje en serie, y el número de capas está limitado únicamente por la capacidad de la fuente de calor para producir un cambio suficiente de temperatura en todas las capas. Aquí, La temperatura de la fuente de calor está limitada a 390 K (117 ° C, 242 ° F), el punto en el que el polímero comienza a deformarse.
Cuando la tela multicapa se expone a un gradiente de temperatura, los portadores de carga (electrones o huecos) viajan del lado caliente al lado frío debido al efecto Seebeck. El voltaje resultante se puede leer en los extremos de la primera y última capa de conducción. Crédito de la imagen:Hewitt, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
Los experimentos en un tejido de 72 capas demostraron una generación de energía máxima de 137 nW a una diferencia de temperatura de 50 K. Pero los investigadores predicen que la producción de energía se puede aumentar; por ejemplo, calculan que un tejido de 300 capas expuesto a una diferencia de temperatura de 100 K tiene una potencia de salida teórica de hasta 5 µW.
Desde otra perspectiva el reloj de pulsera mencionado anteriormente requeriría mucho menos tejido que el requisito actual de 500 cm 2 .
"Tal como se presenta, el requisito de superficie de nuestra tela es del orden de aproximadamente 10 cm 2 , "Dijo Carroll PhysOrg.com . "Sin embargo, el objetivo del artículo es mostrar que las capas de la tela se suman de forma algo lineal. Esto significa que, a medida que se tejen más capas en la tela (y estas pueden ser capas extraordinariamente delgadas), cuanta más potencia se pueda empaquetar en un área más pequeña. Entonces, el tejido que mostramos simplemente demuestra este hecho, pero no lo optimiza. Por lo tanto, puede tomar 10 cm 2 de la tela que mostramos, pero también hemos fabricado tejidos para los que solo unos pocos cm 2 podría alimentar el reloj. Y podríamos ir más lejos ".
En términos de costo, si los termoeléctricos de CNT / polímero se producen a gran escala, la electricidad que generan podría costar tan solo $ 1 por vatio debido al bajo costo del material y la facilidad de producción. A diferencia de, Bi 2 Te 3 Las termoeléctricas actualmente generan electricidad a un costo de alrededor de $ 7 por vatio. Como explicó Carroll, la verdadera prueba de los materiales tendrá un costo.
“Lo que es diferente en lo que hemos hecho es producir algo en un factor de forma que permita la aplicación de grandes áreas de los materiales, " él dijo. "Por lo tanto, se pueden generar grandes cantidades de energía y, siempre que el costo sea bajo, entonces el $ / W es competitivo con otras formas de captura de energía. Por supuesto, esto no sería posible sin dos importantes innovaciones en el papel. El primero, como ya he señalado, es el plegado de la tela en forma de origami que permite que las capas intermedias sumen su poder. El segundo tiene que ver con el "costo". Tenga en cuenta que no utilizamos esteras de nanotubos de carbono puro. Bastante, Nuestras alfombras son principalmente polímeros básicos con nanotubos agregados. Por lo tanto, el costo del elemento costoso se mantiene al mínimo sin sacrificar el rendimiento general ".
Los investigadores predicen que los tejidos termoeléctricos orgánicos de bajo costo podrían tener una multitud de aplicaciones. Además del reloj de pulsera, 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. "Es más, 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, por ejemplo, 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.”
En el futuro, 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.”
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