Le souple, Le tissu thermoélectrique CNT/polymère léger contient des centaines de couches alternées de matériau conducteur et isolant. Crédit image :Hewitt, et al. ©2012 Société chimique américaine
(PhysOrg.com) -- Parmi les nombreuses applications des matériaux thermoélectriques flexibles se trouve une montre-bracelet alimentée par la différence de température entre le corps humain et l'environnement. Mais si vous vouliez cette montre faite de nanotubes de carbone (CNT)/matériaux polymères à faible coût, vous auriez actuellement besoin d'un morceau de tissu d'une superficie d'environ 500 cm 2 , qui est environ 50 fois plus grande que la surface d'une montre-bracelet typique.
Afin de rendre ces applications plus pratiques, une équipe de chercheurs a développé une nouvelle conception multicouche CNT/polymère et a démontré qu'elle a une puissance de sortie considérablement augmentée par rapport aux conceptions précédentes. Le nouveau CNT/polymère, que les chercheurs appellent « Power Felt », ” a également le potentiel d'être beaucoup moins cher que d'autres matériaux thermoélectriques.
L'équipe de recherche, qui comprend un doctorat. l'étudiant Corey Hewitt et le professeur David Carroll de l'Université Wake Forest, avec des collaborateurs d'autres institutions, a publié un article sur la nouvelle conception de tissu thermoélectrique dans un récent numéro de Lettres nano .
Bien que les thermoélectriques soient étudiés et utilisés commercialement depuis plusieurs décennies, ils sont traditionnellement faits de matériaux inorganiques, comme le tellurure de bismuth (Bi
L'une des clés pour concevoir un tissu thermoélectrique haute performance est de créer une grande différence de température sur les côtés opposés du matériau. Étant donné que les matériaux thermoélectriques CNT/polymère sont très minces, la différence de température perpendiculaire à la surface du film est limitée.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont ici conçu un film multicouche CNT/polymère qui permet l'agencement du gradient de température parallèlement à la surface du film. Le film se compose de plusieurs centaines de couches alternées de matériau conducteur (un polymère contenant des NTC) et de matériau isolant (polymère pur) liés ensemble. Chaque couche a une épaisseur de seulement 25-40 µm. Lorsque le tissu est soumis à une différence de température parallèle à la surface, les électrons ou les trous se déplacent du côté chaud vers le côté froid en raison de l'effet Seebeck, qui convertit la différence de température en tension.
Comme l'expliquent les chercheurs, la quantité de tension générée (et la puissance de sortie totale) est égale à la somme des contributions de chaque couche. Donc ajouter des couches au tissu équivaut à ajouter des sources de tension en série, et le nombre de couches n'est limité que par la capacité de la source de chaleur à produire un changement de température suffisant dans toutes les couches. Ici, la température de la source de chaleur est limitée à 390 K (117 °C, 242 °F), le point auquel le polymère commence à se déformer.
Lorsque le tissu multicouche est exposé à un gradient de température, les porteurs de charge (électrons ou trous) se déplacent du côté chaud vers le côté froid en raison de l'effet Seebeck. La tension résultante peut être lue aux extrémités des première et dernière couches de conduction. Crédit image :Hewitt, et al. ©2012 Société chimique américaine
Des expériences sur un tissu de 72 couches ont démontré une génération de puissance maximale de 137 nW à une différence de température de 50 K. Mais les chercheurs prédisent que la puissance de sortie peut être augmentée; par exemple, ils calculent qu'un tissu de 300 couches exposé à une différence de température de 100 K a une puissance de sortie théorique allant jusqu'à 5 µW.
D'un autre point de vue, la montre-bracelet mentionnée ci-dessus nécessiterait beaucoup moins de tissu que l'exigence actuelle de 500 cm 2 .
« Tel que présenté, le besoin surfacique de notre tissu est de l'ordre d'environ 10 cm 2 , " Carroll a dit PhysOrg.com . "Toutefois, le but du papier est de montrer que les couches du tissu s'ajoutent quelque peu linéairement. Cela signifie que, comme plus de couches sont tissées dans le tissu (et celles-ci peuvent être des couches extraordinairement fines), plus la puissance peut être emballée dans une zone plus petite. Ainsi, le tissu que nous montrons démontre simplement ce fait mais ne l'optimise pas. Ainsi, cela peut prendre 10 cm 2 du tissu que nous montrons, mais nous avons aussi réalisé des tissus pour lesquels seulement quelques cm 2 pourrait alimenter la montre. Et nous pourrions aller plus loin.
En termes de coût, si les thermoélectriques CNT/polymère sont produits à grande échelle, l'électricité qu'ils produisent pourrait coûter aussi peu que 1 $ par watt en raison du faible coût des matériaux et de la facilité de production. En revanche, Bi
"Ce qui est différent dans ce que nous avons fait, c'est de produire quelque chose dans un facteur de forme qui permet l'application de grandes surfaces de matériaux, " il a dit. "Ainsi, de grandes quantités d'énergie peuvent être générées et, tant que le coût est faible, alors le $/W est compétitif avec d'autres formes de captage d'énergie. Bien sûr, cela ne serait pas possible sans deux innovations majeures dans le journal. La première, comme je l'ai déjà souligné, est le pliage du tissu semblable à un origami qui permet aux intercalaires d'ajouter leur puissance ensemble. La seconde concerne cette chose de « coût ». Notez que nous n'utilisons pas de tapis de nanotubes de carbone pur. Plutôt, nos tapis sont principalement des polymères de commodité avec des nanotubes ajoutés. Ainsi, le coût de l'élément coûteux est réduit au minimum sans sacrifier les performances globales.
Les chercheurs prédisent que les tissus thermoélectriques organiques à faible coût pourraient avoir une multitude d'applications. Outre la montre-bracelet, 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
À l'avenir, 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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