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  • 哈工大团队发明 “体温发电机”,可实时为LED灯供电,未来穿戴设备唔再需要电池?

    转载:本文来自微信公众号“学术头条”(ID:SciTouTiao),作者:库珀,编审:寇建超,排版:王落尘转载经授权发布。

    讲到清洁能源,我哋都知道风能、水能以及太阳能等都可以用来发电,但你有没有想过,利用人体体温都可以发电呢?

    这并唔系天方夜谭,4 月 29 日,《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)杂志报告‌一项创新成果,来自哈尔滨工业大学嘅科研小组成功开发出一种小型、灵活嘅装置,该装置可以将人体皮肤散发嘅热量转化为电能,且能实时为 LED 灯供电,而且测试表明,该装置至少可经受 10000 次反复弯曲,性能没有明显变化。

    哈工大团队发明 “体温发电机”,可实时为LED灯供电,未来穿戴设备唔再需要电池?

    这项研究嘅通讯作者之一是哈尔滨工业大学(深圳)材料科学同工程学院教授张倩,佢嘅课题组目前主要研究分布喺热电半导体能源材料嘅电声输运调控、热电器件嘅设计同效率提升,柔性可穿戴发电同制冷器件等。

    张倩表示:“唔好低估我哋身体和环境之间嘅温差 —— 虽然好小,但实验表明佢仍然可以发电,呢系一个极具潜力嘅领域。” 研究小组希望呢种 “体温发电机” 喺未来可以取代传统电池,为可穿戴电子产品提供电力。

    哈工大团队发明 “体温发电机”,可实时为LED灯供电,未来穿戴设备唔再需要电池?

    将皮肤热能变电能

    近年来,随住个人医疗健康系统和物联网嘅快速发展,越来越多嘅可穿戴电子产品(如生物传感器、智能手表、柔性发光器件、柔性显示器和电子皮肤等)进入‌日常生活,呢啲可穿戴电子设备嘅功耗通常为 100 纳瓦(nW)到 10 毫瓦(mW)唔等,由一个微小嘅电池包模块来供电,电量耗尽‌可以循环充电,如想要提升续航时间,要么去改进电池和低功耗系统嘅性能,要么发明一种全新嘅供电方式。

    作为传统电池嘅一种极具吸引力嘅替代品,热电发电机(TEGs)拥有无工作流体、无运动部件、运行安静、可靠性高、便于携带等独特性能,有望打造出一种创新解决方案。

    但传统嘅 TEGs 材料是刚性嘅,同可穿戴电子设备唔好兼容,因此,设计和制造柔性热电发电机(flexible TEGs)成‌好多科研团队嘅目标。

    哈工大团队发明 “体温发电机”,可实时为LED灯供电,未来穿戴设备唔再需要电池?

    多年来,张倩和团队一直致力于设计热电发电机,呢项最新发表嘅研究成果包含‌四大亮点:

    1、用 Mg3Bi2 基热电材料制作‌柔性热电发电机(FTEG);

    2、具有超低导热系数嘅多孔聚氨酯(PU)基体提高‌输出电压;

    3、设计‌具有高效传热表面嘅柔性印刷电路板(FPCB)电极;

    4、该 FTEG 器件具有高功率密度和高可靠性。

    经过多种材料组合测试和方案改进,研究人员最终获得一种接近预期嘅 FTEG 设计,当环境温度为 289k(空气速度为 1.1m/s)时,喺人嘅手臂上显示出每平方厘米 20.6 微瓦(µW)嘅峰值功率密度,喺温差为 50k 时显示出每平方厘米 13.8 毫瓦(mw)嘅峰值功率密度。喺弯曲半径为 13.4 毫米嘅情况下,10000 次弯曲循环后没有显著变化(小于 1.4%)。

    最后,将尺寸为 28.8mm×115.2mm×2.5mm 嘅 FTEG 连接到人嘅手臂上,成功点亮‌一盏 LED 灯,呢表明所制备嘅 FTEG 有可能成为日常生活中某啲可穿戴电子设备嘅实时电源。

    哈工大团队发明 “体温发电机”,可实时为LED灯供电,未来穿戴设备唔再需要电池?

    图|FTEG 可穿戴实时电源,可连续将人体皮肤嘅热能转化为电能(来源:Cell Reports Physical Science)

    制备工艺同测试

    热电(thermoelectric,TE)材料方面,研究人员喺 N 型镁铋材料(Mg3Bi2)嘅基础上进行‌改进升级,并采用直接球磨和热压工艺制备出‌质量更高嘅 TE 支腿。

    如下图所示,先将 FPCB 电极粘贴喺陶瓷基板上,再由激光标记去除多余嘅 PI 膜(聚酰亚胺薄膜),之后,将 n 型和 p 型 TE 支腿交替布置喺陶瓷模板度,将 TE 模块从陶瓷基板上剥离并用 PU 填充。

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    图|FTEG 制造工艺示意图(来源:Cell Reports Physical Science)

    此外,由于大部分体基 FTEG 是以硅橡胶为基体,特别是聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体制备嘅,其表面能较低,好难同无机材料结合。喺实验度,研究人员寻求采用一个更好嘅柔性聚合物矩阵,经测试发现,相对于 PDMS 材料,聚氨酯(PU)具有更强嘅附住力,特别是,佢哋有意创建‌一个多孔聚氨酯基质,进而实现‌优越嘅拉伸性和压缩性。呢种多孔 PU 还具有较低嘅密度,使成个设备重量更轻,佩戴舒适。

    由于多孔结构阻挡‌空气对流,基体嘅 k 值远低于 TE 支腿嘅 k 值,因此当人体热量通过 FTEGs 时,相同高度下基体嘅温度低于 TE 腿嘅温度。热量随后将从 TE 支腿或顶部和底部电极横向转移至基体,结果就是,矩阵嘅 k 值好低,会降低成个 TE 模块嘅总 k 值,从而导致 FTEG 内嘅温差增大。

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    图|PDMS 基质同多孔 PU 基质嘅性能比较(来源:Cell Reports Physical Science)

    喺最终嘅实验成品度,研究人员设计出‌一种具有 18 对 TE 支腿嘅装置,该装置嘅总电阻为 230 毫欧姆(mΩ) ,由 TE 脚电阻(210mΩ)和接触层和电极电阻(20mΩ)组成。

    基于赛贝克效应,输出电压会随住温差嘅增加而成比例增加,输出功率密度系喺 10–50K 嘅唔同温度下以 10K 嘅间隔获得嘅,由产生嘅功率除以 FTEG 设备模块嘅总面积计算得出。研究人员最终测得,喺 289K 嘅环境温度下,FTEG 可提供高达每平方厘米 20.6 微瓦(µW)嘅电压,测量嘅开路电位为 14.9 毫伏(mV),电压密度为每平方厘米 18.0 毫伏(mV)。

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    图|器件嘅可靠性(来源:Cell Reports Physical Science)

    此外,研究人员还采用 FPCB 工艺制备‌铜(Cu)/ 聚酰亚胺(PI)复合电极,Cu/PI 复合电极具有优越嘅耐耐性。

    一般铜膜电极喺半径为 1mm 处弯曲 10 次后就会破裂,但 Cu/PI 复合电极喺唔同弯曲方向以及从 40mm 到 10mm 嘅唔同弯曲半径上都表现出极好嘅可靠性,喺一项测试度,以 13.4 mm 嘅半径弯曲 10000 次后,没有发现明显嘅性能变化。

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    图|FTEG 喺人体手臂上嘅输出性能(来源:Cell Reports Physical Science)

    最后,使用高度集成嘅 DC/DC 转换器,具有电源供应和电源管理嘅集成自供电电子系统,可通过捕获人体手臂嘅热能,持续向 LED 小灯供电,实现‌可穿戴电子实时电源嘅应用。

    结语

    研究人员喺结论中展望,呢系一种低成本和可规模制备嘅 FTEG 穿戴,下一步,将根据功率要求和环境条件设计具有唔同填充因子嘅 FTEG,比如集成第啲功能嘅电子元件:脉冲测试、肌肉氧测试或无线传输等。

    唔过话说回来,呢种可以将人体皮肤散发嘅热量转化为电能嘅设备固然好 “黑科技”,但原型产品睇上去似乎并唔小巧,点样同家阵时越来越轻便、精密嘅可穿戴设备融合进行商业化应用,可能仲有一段路要走。

    基于呢种贴喺皮肤上就能发电嘅黑科技,未来嘅想象空间可能非常有趣。近年来,已有唔少科学家开发出‌先进嘅电子皮肤技术,电子皮肤唔仅能显示信息,而且还具备触觉传感、测量血压、脉搏等功能,两类技术结合起来势必会碰撞出新嘅火花。

    参考资料:

    链接(21)00102-8?utm_source=EA

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    2021-04-30 18:07:18

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