1998 年，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)動的智能手表 Powerwatch，引發(fā)不少關(guān)注。
事實上，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《細胞報告物理科學》(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時電源)。
柔性「體溫發(fā)電機」
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)點處溫度不同，處在較溫暖區(qū)域的電子受熱移動至較冷的區(qū)域，該回路就會產(chǎn)生一個電勢差(電壓)，在連接它們的導線上產(chǎn)生電流。
簡而言之，這項技術(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，將這項技術(shù)應用于可穿戴設(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」(Thermoelectric generators，以下簡稱 TEG)為可穿戴電子設(shè)備供能在未來將是一項很有前景的應用。
TEG 將是傳統(tǒng)電池的一個很好的替代，原因在于其獨特的特性，比如無工作流體、無運動部件、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便是設(shè)計一種柔性 TEG(flexible TEG，即 FTEG)。
實時為 LED 燈供電
材料方面，研究人員設(shè)計的 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 基材料被學術(shù)界認為是近室溫應用的優(yōu)質(zhì)材料。另外據(jù)《中國科學報》報道：
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，即半導體材料的溫差電動熱)、功率因數(shù)(PF )、熱導率(κ)和 ZT(品質(zhì)因數(shù))值。
具體制造過程則是：
將 FPCB 電極粘貼在陶瓷基板上;
用激光標記去除多余的 PI 膜(聚酰亞胺薄膜);
把 n 型和 p 型熱電支腿交替布置在基板上;
將熱電模塊剝離基板，用 PU 填充。
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 1.1 m/s)時將設(shè)備放在手臂上，峰值功率密度約為 20.6 μW/cm2;在溫差 -223.15 攝氏度時，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)備提供實時電源的潛力。
關(guān)于作者
論文顯示，研究團隊來自哈爾濱工業(yè)大學物理學院、微納光電信息系統(tǒng)理論與技術(shù)重點實驗室、材料科學與工程學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、先進焊接與連接國家重點實驗室。
論文通訊作者為哈工大(深圳)材料科學與工程學院教授張倩。
公開信息顯示，張倩教授課題組研究方向為熱電半導體能源材料，包括熱電材料合成、電聲輸運調(diào)控、熱電器件相關(guān)研究等。
張倩教授 2009 年于浙江大學材料科學與工程學院獲博士學位，2009-2015 年先后于新加坡國立大學化學系、波士頓學院物理系、休斯頓大學物理系從事博士后研究工作，在國際知名刊物上發(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。
