繊維状イオン熱電キャパシタの高熱電変換効率を実現する液晶エラストマーの設計

科学分野:

• 材料科学
• エネルギーハーベスティング
• 熱電変換

背景:

• イオン熱電（i-TE）材料は、低級熱エネルギーハーベスティングの有望な候補である。
• n型i-TE材料の開発はp型に遅れをとっており、応用を妨げている。
• 液晶エラストマー（LCE）は、先進材料のための調整可能な特性を提供する。

研究 の 目的:

• 改良された熱エネルギーハーベスティングのための新規n型およびp型i-TE材料を設計すること。
• 特にn型材料の既存のi-TE材料の限界を克服すること。
• これらの材料を機能的な熱電デバイスに統合することを示すこと。

主な方法:

• 側鎖から主鎖構造へとLCEを設計した。
• LCEをLiBF4またはEMIM TFSI電解質で膨潤させた。
• p/nペアを使用して繊維状i-TEキャパシタを製造した。

主要な成果:

• 相対湿度30%未満において、同種材料で最大の調整可能p-nゼーベック係数範囲（-27.4～28.8 mV K⁻¹）を達成した。
• 3つのp/nペアからなる均質なπ型繊維状i-TEキャパシタを統合した。
• 2.5 Kの温度差で402.5 mVの出力電圧を生成した。
• n型繊維あたり8.1 mJ m⁻²の面エネルギー密度を達成した。
• サイクリック引張、長期試験、熱サイクリング下での優れた材料安定性を示した。

結論:

• 設計されたLCEベースのi-TE材料は、優れたn型およびp型性能を示す。
• 開発された材料は、フレキシブルデバイスにおける効率的な熱・電荷エネルギー貯蔵を可能にする。
• これらの発見は、ウェアラブルおよびフレキシブルエレクトロニクスにおけるLCEベースのi-TE材料の可能性を強調している。