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哈工大张倩教授团队:发明体温发电机,未来可穿戴设备或将不再需要电池

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-05-08   来源:学术头条  浏览次数:236
说到清洁能源,我们都知道风能、水能以及太阳能等都可以用来发电,但你有没有想过,利用人体体温也能发电呢?
 
这并不是天方夜谭,4 月 29 日,《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)杂志报告了一项创新成果,来自哈尔滨工业大学的科研小组成功开发出一种小型、灵活的装置,该装置可以将人体皮肤散发的热量转化为电能,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。
 
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这项研究的通讯作者之一是哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院教授张倩,她的课题组目前主要研究分布在热电半导体能源材料的电声输运调控、热电器件的设计与效率提升,柔性可穿戴发电与制冷器件等。
 
张倩表示:“不要低估我们身体和环境之间的温差 —— 虽然很小,但实验表明它仍然可以发电,这是一个极具潜力的领域。” 研究小组希望这种 “体温发电机” 在未来可以取代传统电池,为可穿戴电子产品提供电力。
 
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把皮肤热能变电能
 
近年来,随着个人医疗健康系统和物联网的快速发展,越来越多的可穿戴电子产品(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)进入了日常生活,这些可穿戴电子设备的功耗通常为 100 纳瓦(nW)到 10 毫瓦(mW)不等,由一个微小的电池包??槔垂┑?,电量耗尽了可以循环充电,如想要提升续航时间,要么去改进电池和低功耗系统的性能,要么发明一种全新的供电方式。
 
作为传统电池的一种极具吸引力的替代品,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。
 
但传统的 TEGs 材料是刚性的,与可穿戴电子设备不好兼容,因此,设计和制造柔性热电发电机(flexible TEGs)成了很多科研团队的目标。
 
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多年来,张倩和团队一直致力于设计热电发电机,这项最新发表的研究成果包含了四大亮点:
 
1、用 Mg3Bi2 基热电材料制作了柔性热电发电机(FTEG);
 
2、具有超低导热系数的多孔聚氨酯(PU)基体提高了输出电压;
 
3、设计了具有高效传热表面的柔性印刷电路板(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的 FTEG 设计,当环境温度为 289k(空气速度为 1.1m/s)时,在人的手臂上显示出每平方厘米 20.6 微瓦(W)的峰值功率密度,在温差为 50k 时显示出每平方厘米 13.8 毫瓦(mw)的峰值功率密度。在弯曲半径为 13.4 毫米的情况下,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 的 FTEG 连接到人的手臂上,成功点亮了一盏 LED 灯,这表明所制备的 FTEG 有可能成为日常生活中某些可穿戴电子设备的实时电源。
 
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图|FTEG 可穿戴实时电源,可连续将人体皮肤的热能转化为电能(来源:Cell Reports Physical Science)
 
制备工艺与测试
 
热电(thermoelectric,TE)材料方面,研究人员在 N 型镁铋材料(Mg3Bi2)的基础上进行了改进升级,并采用直接球磨和热压工艺制备出了质量更高的 TE 支腿。
 
如下图所示,先将 FPCB 电极粘贴在陶瓷基板上,再由激光标记去除多余的 PI 膜(聚酰亚胺薄膜),之后,把 n 型和 p 型 TE 支腿交替布置在陶瓷模板中,将 TE ??榇犹沾苫迳习氩⒂?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)为基体制备的,其表面能较低,很难与无机材料结合。在实验中,研究人员寻求采用一个更好的柔性聚合物矩阵,经测试发现,相对于 PDMS 材料,聚氨酯(PU)具有更强的附着力,特别是,他们有意创建了一个多孔聚氨酯基质,进而实现了优越的拉伸性和压缩性。这种多孔 PU 还具有较低的密度,使整个设备重量更轻,佩戴舒适。
 
由于多孔结构阻挡了空气对流,基体的 k 值远低于 TE 支腿的 k 值,因此当人体热量通过 FTEGs 时,相同高度下基体的温度低于 TE 腿的温度。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,矩阵的 k 值很低,会降低整个 TE ??榈淖?k 值,从而导致 FTEG 内的温差增大。
 
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图|PDMS 基质与多孔 PU 基质的性能比较(来源:Cell Reports Physical Science)
 
在最终的实验成品中,研究人员设计出了一种具有 18 对 TE 支腿的装置,该装置的总电阻为 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,输出电压会随着温差的增加而成比例增加,输出功率密度是在 10–50K 的不同温度下以 10K 的间隔获得的,由产生的功率除以 FTEG 设备??榈淖苊婊扑愕贸?。研究人员最终测得,在 289K 的环境温度下,FTEG 可提供高达每平方厘米 20.6 微瓦(W)的电压,测量的开路电位为 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|器件的可靠性(来源:Cell Reports Physical Science)
 
此外,研究人员还采用 FPCB 工艺制备了铜(Cu)/ 聚酰亚胺(PI)复合电极,Cu/PI 复合电极具有优越的耐久性。
 
一般铜膜电极在半径为 1mm 处弯曲 10 次后就会破裂,但 Cu/PI 复合电极在不同弯曲方向以及从 40mm 到 10mm 的不同弯曲半径上都表现出极好的可靠性,在一项测试中,以 13.4 mm 的半径弯曲 10000 次后,没有发现明显的性能变化。
 
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图|FTEG 在人体手臂上的输出性能(来源:Cell Reports Physical Science)
 
最后,使用高度集成的 DC/DC 转换器,具有电源供应和电源管理的集成自供电电子系统,可通过捕获人体手臂的热能,持续向 LED 小灯供电,实现了可穿戴电子实时电源的应用。
 
结语
 
研究人员在结论中展望,这是一种低成本和可规模制备的 FTEG 穿戴,下一步,将根据功率要求和环境条件设计具有不同填充因子的 FTEG,比如集成其他功能的电子元件:脉冲测试、肌肉氧测试或无线传输等。
 
不过话说回来,这种可以将人体皮肤散发的热量转化为电能的设备固然很 “黑科技”,但原型产品看上去似乎并不小巧,怎么与当前越来越轻便、精密的可穿戴设备融合进行商业化应用,可能还有一段路要走。
 
基于这种贴在皮肤上就能发电的黑科技,未来的想象空间可能非常有趣。近年来,已有不少科学家开发出了先进的电子皮肤技术,电子皮肤不仅能显示信息,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的火花。
 
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