哈工大發(fā)明體溫發(fā)電機(jī) 可將人體皮膚熱量轉(zhuǎn)化為電能

日本著名制表公司精工(SEIKO)曾發(fā)布過一款由體溫供電的石英表 Seiko Thermic，做出了將熱電技術(shù)應(yīng)用于手表的一次較早嘗試 —— 不過在一顆普通紐扣電池就能支持石英表 1-3 年續(xù)航的年代，這款產(chǎn)品即便令人眼前一亮，最終也并未獲得商業(yè)成功。

后來在 2016 年，硅谷初創(chuàng)公司Matrix Industries 針對(duì)智能手表的續(xù)航問題，在眾籌網(wǎng)站 Indiegogo 上發(fā)布了世界上第一款純熱電驅(qū)動(dòng)的智能手表Powerwatch，引發(fā)不少關(guān)注。

事實(shí)上，將體溫發(fā)電與可穿戴設(shè)備相結(jié)合直至今天仍是一項(xiàng)創(chuàng)新之舉。

最近，一組哈工大研究人員就開發(fā)出了一種小型可穿戴設(shè)備，可將人體皮膚發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)化為電能。

把設(shè)備戴在手腕上，可以實(shí)現(xiàn)為 LED 燈供電。

2021 年 4 月 29 日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》(Cell Reports Physical Science)雜志，題為 A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module(一種基于 Mg3Bi2 熱電模塊的可穿戴實(shí)時(shí)電源)。

柔性「體溫發(fā)電機(jī)」

先來了解一下何謂「熱電技術(shù)」。

在兩種金屬構(gòu)成的回路中，如果金屬結(jié)點(diǎn)處溫度不同，處在較溫暖區(qū)域的電子受熱移動(dòng)至較冷的區(qū)域，該回路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差(電壓)，在連接它們的導(dǎo)線上產(chǎn)生電流。

簡(jiǎn)而言之，這項(xiàng)技術(shù)就是利用熱電裝置的溫度差產(chǎn)生電壓。

我們此前曾介紹，由于電流較弱，熱電技術(shù)通常只能為能量需求不大的設(shè)備供電，而可穿戴設(shè)備基本部件的功耗一般在 100nW(納瓦)到 10mW(毫瓦)之間(如下圖所示)，基于此，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和人體植入裝置將是絕佳的選擇。

在研究人員看來，「熱電發(fā)電機(jī)」(Thermoelectricgenerators，以下簡(jiǎn)稱 TEG)為可穿戴電子設(shè)備供能在未來將是一項(xiàng)很有前景的應(yīng)用。

TEG 將是傳統(tǒng)電池的一個(gè)很好的替代，原因在于其獨(dú)特的特性，比如無工作流體、無運(yùn)動(dòng)部件、操作過程安靜、可靠、便攜等等。

正如研究人員所言：

TEG 可以收集體溫這樣的分散式低品質(zhì)熱量，使之轉(zhuǎn)化為電能。

但值得關(guān)注的是，傳統(tǒng)的剛性 TEG 難以兼容可穿戴產(chǎn)品，因此研究人員的目標(biāo)便是設(shè)計(jì)一種柔性 TEG(flexible TEG，即 FTEG)。

實(shí)時(shí)為 LED 燈供電

材料方面，研究人員設(shè)計(jì)的 FTEG 包括 p 型碲化銻(Sb2Te3)和 n 型鉍化鎂(Mg3Bi2)，以及多孔聚氨酯(PU)基體和柔性印刷電路板(FPCB)電極。

我們注意到，n 型 Mg3Bi2 基材料被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是近室溫應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)材料。另外據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》報(bào)道：

市面上的 TEG 在很大程度上依賴于稀有金屬碲，而新設(shè)計(jì)用鎂基材料部分取代了碲基材料，這可以降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。

下圖展示的是材料的電阻率(ρ)、塞貝克系數(shù)(S，即半導(dǎo)體材料的溫差電動(dòng)熱)、功率因數(shù)(PF)、熱導(dǎo)率(κ)和 ZT(品質(zhì)因數(shù))值。

最終數(shù)據(jù)表明，這款 FTEG 設(shè)備具有較低的熱旁路和高效的熱接觸面，在環(huán)境溫度為 16 攝氏度(氣流速度1.1m/s)時(shí)將設(shè)備放在手臂上，峰值功率密度約為 20.6μW/cm2;在溫差 -223.15 攝氏度時(shí)，峰值功率密度為 13.8 mW/cm2。

不僅如此，該設(shè)備在 13.4 mm 的彎曲半徑下承受 10000 次彎曲循環(huán)后無顯著變化(小于 1.4%)。

研究人員將尺寸為 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 設(shè)備放置在手臂上，成功點(diǎn)亮了 LED(發(fā)光二極管)燈 —— 這表明該 FTEG 設(shè)備具有為可穿戴設(shè)備提供實(shí)時(shí)電源的潛力。

論文顯示，研究團(tuán)隊(duì)來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院、微納光電信息系統(tǒng)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程學(xué)院材料基因組與大數(shù)據(jù)研究所柔性印刷電子技術(shù)中心、先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

論文通訊作者為哈工大(深圳)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張倩。

公開信息顯示，張倩教授課題組研究方向?yàn)闊犭姲雽?dǎo)體能源材料，包括熱電材料合成、電聲輸運(yùn)調(diào)控、熱電器件相關(guān)研究等。

張倩教授 2009 年于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲博士學(xué)位，2009-2015 年先后于新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)系、波士頓學(xué)院物理系、休斯頓大學(xué)物理系從事博士后研究工作，在國(guó)際知名刊物上發(fā)表 SCI 論文 70 余篇，第一作者 / 通訊作者論文 40 余篇，4 篇論文入選 ESI 高被引論文。

關(guān)鍵詞： 哈工大 體溫 發(fā)電機(jī) 熱量