基于二元溶剂(H2O/GL)热电凝胶的无源温度传感研究

作     者：李学标 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张虎林;周传刚

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：热电化学电池 抗冻水凝胶 自驱动传感 温度监测 

摘      要：进入到新世纪以来,在各种可再生能源及其利用技术中,低品位热能的回收利用技术获得了极大关注。一般来说,工业生产排放的废热、地热具有的能量,太阳能和人体热量这些低品位的热能,是一种具有巨大应用潜力的能源。如果能将这些浪费的热能转化为有价值的的,可利用的电能,则会大幅的缓解不可再生能源使用的枯竭问题和温室气体的排放问题。而热电发电机(TEGs)能够实现热-电转化。传统的基于半导体的TEGs性能仍然较差,它的Se系数通常为μV K。并且材料的脆弱性、高成本及其复杂的生产制备过程极大地限制了它的应用。因此,加入热电偶的热化学电池(TECs)受到了更多的关注。首先,TECs比半导体TEGs有更高的塞贝克(Se)系数,达到m V K。此外,在TECs中使用了大量的水或聚合物,而不是稀有、昂贵和有毒的材料,使它们具有丰富、廉价和毒性低。近年来,在低成本的余热利用中,TECs的性能不断提高。尤其是,通过对液态TECs引入物理交联网络,消除了液体电解质的泄漏风险。同时,水凝胶TECs类似固体,具有机械适应性,适合作为可穿戴和柔性电子设备供电。然而在零下温度,电解质中水分子由于强氢键的作用会不可避免地冻结,聚合物网络受到熵弹性降低的限制,严重影响了TECs的力学和热电性能。因此提高凝胶TECs的抗冻性能对于拓宽它的应用范围很有必要。本课题主要以低品位热能的收集而展开,以可穿戴电子设备和温度监测作为应用场景,主要内容为包含水/甘油(HO/GL)二元溶剂的抗冻水凝胶TECs的构筑、具有可探测环境温度的电子皮肤的设计与应用、可监测室内外温度的智能窗户的设计与应用、用于监测人体呼吸的生命体征的传感器的设计与应用。本论文的主要创新点包括:1、提出了使用二元溶剂(HO/GL)的作为TECs凝胶的电解液:甘油会削弱水分子之间的氢键,使得凝胶TEGs具有更宽的的工作温度区域(﹣20～80℃)和不俗的抗干燥性能。2、开发了以转化人体热源为电能的电子皮肤用于监测环境温度:通过收集人体表皮的热量,将此热量转化为电能,进一步用于为个人医疗监测电子设备提供动力,并基于此模拟并建立了能够对环境温度的突发状况作出警示的监测系统。3、开发了可以作为监测室内外温差的“智能窗户:将水凝胶TECs器件嵌入窗户的玻璃中,该器件就可以根据室内外温差的大小产生相应的电势差,从而实现一个自供电的温度监测。同时,该器件的大小相对窗户可以忽略不计,因此不会影响窗户的透光性。4、开发了包含TECs凝胶贴片的呼吸传感系统,它能够利用环境温差和人体呼吸产生的热量,将生理数据转换为容易理解的电脉冲信号,实现了简单的自驱动呼吸监测策略。