Hãy tưởng tượng nếu bạn có thể sử dụng nhiệt lượng cơ thể của chính mình để cung cấp năng lượng cho chiếc đồng hồ thông minh, bộ định vị thể dục hoặc các thiết bị đeo khác. Điều đó sẽ loại bỏ nhu cầu sử dụng pin, dây cáp hoặc bộ sạc và làm cho thiết bị của bạn bền vững và tiện lợi hơn.

Xem thêm: Vật liệu siêu dẫn mới: Lanthanum-Cerium Polyhydride

Nghe có vẻ như khoa học viễn tưởng, phải không? Tuy nhiên, điều đó không còn là viễn tưởng nữa. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại tế bào thermocell mới có thể chuyển đổi nhiệt thành điện năng với hiệu suất cao và tính linh hoạt.

Thermocell là gì?

Thermocell là một thiết bị sử dụng sự khác biệt nhiệt độ giữa hai điện cực để tạo ra một điện thế điện. Các điện cực được ngâm trong một dung dịch điện giải chứa các ion có thể chuyển điện. Khi một điện cực nóng hơn điện cực kia, các ion di chuyển nhanh hơn và tạo ra dòng điện. Điều này được gọi là hiệu ứng thermogalvanic.

Thermocell có thể thu gom nhiệt năng không cần thiết từ các nguồn khác nhau, chẳng hạn như quy trình công nghiệp, tấm năng lượng mặt trời hoặc nhiệt lượng cơ thể con người. Chúng rất hấp dẫn đối với các thiết bị đeo vì có thể cung cấp đầu ra năng lượng liên tục và ổn định mà không phụ thuộc vào các nguồn bên ngoài.

Những thách thức của thermocell là gì?

Tuy nhiên, thermocell cũng đối mặt với một số thách thức giới hạn ứng dụng thực tế của chúng. Một trong số đó là nguy cơ rò rỉ điện giải, gây ra vấn đề an toàn và môi trường. Một vấn đề khác là tính cơ học kém của các điện cực và điện giải, ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất của chúng khi bị biến dạng.

Để vượt qua những thách thức này, các nhà nghiên cứu đã phát triển thermocell ion quasi-solid sử dụng điện giải dạng gel thay vì chất lỏng. Thermocell này có thể ngăn chặn rò rỉ và cải thiện tính ổn định cơ học. Tuy nhiên, nó cũng đối mặt với một sự đánh đổi giữa tính chất cơ học xuất sắc và hiệu điện nhiệt, được đo bằng đơn vị chênh lệch nhiệt độ mà chúng có thể tạo ra.

Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này như thế nào?

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Advanced Materials, các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc và Úc đã kết hợp quá trình kết tinh do căng để đề xuất một thermocell polyvinyl alcohol biến dạng quasi-solid cao cường độ (SPTC) với độ bền kéo lớn là 19 MPa (Đơn vị áp suất) và hiệu điện nhiệt cao là 6,5 mV K−1 ( hệ số Seebeck V/°K (volts/độ Kelvin).

SPTC bao gồm hai điện cực carbon nanotube được phủ một lớp điện giải gel polyvinyl alcohol chứa các cặp redox ferrocene và ferricyanide. Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng khi SPTC bị căng, các chuỗi polyvinyl alcohol trở nên sắp xếp và kết tinh hơn, làm tăng khả năng dẫn điện ion và giảm khả năng dẫn nhiệt của điện giải. Điều này nâng cao cả hiệu ứng thermogalvanic và hiệu ứng thermodiffusion, dẫn đến hiệu điện nhiệt cao hơn.

SPTC có những tính chất đặc biệt như độ co dãn cao là 1300%, có nghĩa là nó có thể kéo dài ra gấp 14 lần độ dài ban đầu của nó; độ dẻo vượt trội lên đến 163,4 MJ m−3, nó có thể chịu được rất nhiều lực mà không bị hỏng; và mật độ công suất đầu ra cụ thể là 1969 μW m−2 K−2 nó có thể tạo ra rất nhiều điện từ sự chênh lệch nhiệt. 

Các ứng dụng của SPTC là gì?

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh việc sử dụng hệ thống dựa trên SPTC trong các thiết bị đeo cho cảm biến căng năng lượng tự động và giám sát sức khỏe. Họ đã chỉ ra rằng SPTC có thể cung cấp năng lượng để thắp sáng đèn LED chỉ bằng việc sử dụng nhiệt lượng cơ thể làm nguồn năng lượng duy nhất.

Họ cũng đã chỉ ra rằng SPTC có thể phát hiện các chuyển động của con người như uốn cong và căng ra bằng cách đo các thay đổi trong đầu ra điện thế. Hơn nữa, họ đã chỉ ra rằng SPTC có thể giám sát nhiệt độ cơ thể con người bằng cách sử dụng một đường cong hiệu chuẩn đơn giản.

Thermocell
Hình ảnh POM của hydrogel PVA với thời gian kết tinh kéo dài tăng dần (0 giờ, 2 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 24 giờ và 48 giờ). Ảnh: Lili Liu và Cộng sự

Các ứng dụng này cho thấy SPTC có thể tạo điều kiện cho việc triển khai nhanh chóng của các thiết bị điện tử đeo được bền vững trong thời đại của Internet of Things. Các nhà nghiên cứu tin rằng công việc của họ có thể truyền cảm hứng cho nhiều nghiên cứu về vật liệu và thiết bị điện nhiệt biến dạng có hiệu suất và chức năng cải thiện.

Thermocell là những thiết bị hứa hẹn có thể chuyển đổi nhiệt thành điện cho các thiết bị đeo. Tuy nhiên, chúng có một số hạn chế như nguy cơ rò rỉ điện giải và tính cơ học kém. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại thermocell biến dạng mới có thể vượt qua những hạn chế này và đạt được hiệu suất và tính linh hoạt cao.

Thermocell này có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị đeo bằng nhiệt lượng cơ thể và cho phép các ứng dụng khác nhau như cảm biến căng và giám sát sức khỏe.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí: Advanced Materials

Share.
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Góp ý
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận