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哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

本文作者:付静 2021-05-07 18:12
导语:事实上,将体温发电与可穿戴设备相结合直至今天仍是一项创新之举。

1998 年,日本著名制表公司精工(SEIKO)曾发布过一款由体温供电的石英表 Seiko Thermic,做出了将热电技术应用于手表的一次较早尝试——不过在一颗普通纽扣电池就能支持石英表 1-3 年续航的年代,这款产品即便令人眼前一亮,最终也并未获得商业成功。

后来在 2016 年,硅谷初创公司 Matrix Industries 针对智能手表的续航问题,在众筹网站 Indiegogo 上发布了世界上第一款纯热电驱动的智能手表 Powerwatch,引发不少关注。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

事实上,将体温发电与可穿戴设备相结合直至今天仍是一项创新之举。

最近,一组哈工大研究人员就开发出了一种小型可穿戴设备,可将人体皮肤发出的热量转化为电能。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

把设备戴在手腕上,可以实现为 LED 灯供电。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

2021 年 4 月 29 日,相关研究成果发表于《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)杂志,题为 A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module(一种基于 Mg3Bi2 热电模块的可穿戴实时电源)。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

柔性「体温发电机」

先来了解一下何谓「热电技术」。

在两种金属构成的回路中,如果金属结点处温度不同,处在较温暖区域的电子受热移动至较冷的区域,该回路就会产生一个电势差(电压),在连接它们的导线上产生电流。

简而言之,这项技术就是利用热电装置的温度差产生电压。

雷锋网此前曾介绍,由于电流较弱,热电技术通常只能为能量需求不大的设备供电,而可穿戴设备基本部件的功耗一般在 100nW(纳瓦)到 10mW(毫瓦)之间(如下图所示),基于此,将这项技术应用于可穿戴设备和人体植入装置将是绝佳的选择。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

在研究人员看来,「热电发电机」(Thermoelectric generators,以下简称 TEG)为可穿戴电子设备供能在未来将是一项很有前景的应用。

TEG 将是传统电池的一个很好的替代,原因在于其独特的特性,比如无工作流体、无运动部件、操作过程安静、可靠、便携等等。

正如研究人员所言:

TEG 可以收集体温这样的分散式低品质热量,使之转化为电能。

但值得关注的是,传统的刚性 TEG 难以兼容可穿戴产品,因此研究人员的目标便是设计一种柔性 TEG(flexible TEG,即 FTEG)。

实时为 LED 灯供电

材料方面,研究人员设计的 FTEG 包括 p 型碲化锑(Sb2Te3)和 n 型铋化镁(Mg3Bi2),以及多孔聚氨酯(PU)基体和柔性印刷电路板(FPCB)电极。

雷锋网注意到,n 型 Mg3Bi2 基材料被学术界认为是近室温应用的优质材料。另外据《中国科学报》报道:

市面上的 TEG 在很大程度上依赖于稀有金属碲,而新设计用镁基材料部分取代了碲基材料,这可以降低大规模生产的成本。

下图展示的是材料的电阻率(ρ)、塞贝克系数(S,即半导体材料的温差电动热)、功率因数(PF )、热导率(κ)和 ZT(品质因数)值。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

具体制造过程则是:

  1. 将 FPCB 电极粘贴在陶瓷基板上;

  2. 用激光标记去除多余的 PI 膜(聚酰亚胺薄膜);

  3. 把 n 型和 p 型热电支腿交替布置在基板上;

  4. 将热电模块剥离基板,用 PU 填充。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

最终数据表明,这款 FTEG 设备具有较低的热旁路和高效的热接触面,在环境温度为 16 摄氏度(气流速度 1.1 m/s)时将设备放在手臂上,峰值功率密度约为 20.6 μW/cm2;在温差 -223.15 摄氏度时,峰值功率密度为 13.8 mW/cm2。

不仅如此,该设备在 13.4 mm 的弯曲半径下承受 10000 次弯曲循环后无显著变化(小于 1.4%)。

研究人员将尺寸为 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 设备放置在手臂上,成功点亮了 LED(发光二极管)灯——这表明该 FTEG 设备具有为可穿戴设备提供实时电源的潜力。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

关于作者

论文显示,研究团队来自哈尔滨工业大学物理学院、微纳光电信息系统理论与技术重点实验室、材料科学与工程学院材料基因组与大数据研究所柔性印刷电子技术中心、先进焊接与连接国家重点实验室。

论文通讯作者为哈工大(深圳)材料科学与工程学院教授张倩。

哈工大发明「体温发电机」:柔性可佩戴,实时点亮 LED 灯

【图源哈工大(深圳)官网】

公开信息显示,张倩教授课题组研究方向为热电半导体能源材料,包括热电材料合成、电声输运调控、热电器件相关研究等。

张倩教授 2009 年于浙江大学材料科学与工程学院获博士学位,2009-2015 年先后于新加坡国立大学化学系、波士顿学院物理系、休斯顿大学物理系从事博士后研究工作,在国际知名刊物上发表 SCI 论文 70 余篇,第一作者/通讯作者论文 40 余篇,4 篇论文入选 ESI 高被引论文。

雷锋网相关报道:

《体温供电的 Powerwatch 发布,热电技术会是智能手表的未来吗?》

引用来源:

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100412

http://www.cas.cn/kj/202105/t20210507_4786909.shtml

http://mse.hitsz.edu.cn/info/1029/1041.htm

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