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

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。

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。

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。

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。

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