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
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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。
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。
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模块来供电,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。
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。
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
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