Разработана ионная термоэлектрическая плёнка, способная питать светодиодные лампы, используя разницу температур человеческого тела и окружающего воздуха всего в 1,5 ° C

Работая как миниатюрные генераторы, ТЭ-материалы преобразуют разницу температур в электрическую энергию. В ионных ТЭ-системах движение ионов — протонов (H⁺) в материалах p-типа и ионов хлора (Cl⁻) в материалах n-типа — приводит к возникновению напряжения. При наличии небольшого температурного градиента эти ионы перемещаются и создают электрический ток.

Новые материалы, представляющие собой гибкий композит на основе полимеров, демонстрируют рекордно высокие ионные показатели добротности (ZT_i) — 49,5 для p-типа и 32,2 для n-типа, что на 70 % лучше, чем у предыдущих материалов. Такие высокие показатели позволяют генерировать достаточную мощность при минимальной разнице температур — менее 2 °C — для работы электронных устройств.

Материал p-типа основан на проводящем полимерном композите PEDOT:PSS, а материал n-типа содержит в матрице хлорид меди (CuCl₂). В процессе работы протоны (H⁺) служат носителями заряда в p-типе, а ионы хлора (Cl⁻) — в n-типе. Оба материала лёгкие, гибкие и легко поддаются формовке в тонкие генераторы в форме плёнки.

В ходе практических испытаний модуль, состоящий из десяти последовательно соединённых пар таких плёнок p- и n-типа, выдавал напряжение более 1,03 В при разнице температур всего в 1 °C.

Примечательно, что это позволило зажечь одну светодиодную лампочку при перепаде температур всего в 1,5 °C. Оценка долгосрочной стабильности показала, что устройство сохранило более 95 % своей первоначальной производительности после более чем двух месяцев работы в помещении.

В исследовании такая эффективность объясняется систематической стратегией термодинамического проектирования, которая оптимизирует взаимодействие между концентрацией ионов и их диффузией в материалах.

Тщательно проанализировав и скорректировав концентрацию добавок, таких как CuCl₂, и внутреннюю структуру полимеров, команда определила условия, при которых достигается максимальная удельная мощность без ущерба для подвижности ионов.

Донг-Ху Ким, ведущий автор исследования, объяснил: «В материалах с ионной проводимостью долгое время отсутствовали систематические принципы проектирования, что ограничивало их потенциал. Наша работа предлагает фундаментальные стратегии для раскрытия их высокоэффективных возможностей». -«Недавно разработанные материалы тонкие и гибкие, что позволяет легко прикреплять их к коже или изогнутым поверхностям. Они могут питать носимые устройства, такие как смарт-часы, без использования батареек, а также обеспечивать автономную работу датчиков в условиях с минимальными температурными градиентами».