用體溫發(fā)電！科學(xué)家研發(fā)新型熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)，高效耐用還可拉伸

1975 年，世界上第一塊計(jì)算器手表問(wèn)世。

這款采用 18 K 金打造的“原始版”可穿戴電子設(shè)備，當(dāng)時(shí)的售價(jià)高達(dá) 3950 美元（如今的售價(jià)約為 2 萬(wàn)美元）。高昂的價(jià)格，讓大多數(shù)試圖“先買(mǎi)為敬”的消費(fèi)者們望而卻步。

而且，過(guò)小的數(shù)字鍵需要使用搭配的手寫(xiě)筆才能點(diǎn)按準(zhǔn)確，其電池也僅僅支持使用幾個(gè)星期。

圖｜世界上第一塊計(jì)算器手表 Pulsar

盡管如此，這款計(jì)算器手表的問(wèn)世，代表了可穿戴電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的開(kāi)始。

自此以后，隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的出現(xiàn)，智能手環(huán)、虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式耳機(jī)、智能眼鏡等可穿戴電子設(shè)備開(kāi)始“飛入尋常百姓家”，它們體積輕巧、佩戴方便，不僅可以更加高效地處理外部信息，還能監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)和健康狀況。

然而，如何更好地為可穿戴電子設(shè)備和個(gè)性化生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)持續(xù)供電，仍然是科學(xué)家在當(dāng)前面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

一種很有前途的解決方案是使用熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)（TEG），它可以將身體的熱量轉(zhuǎn)化為電能。

熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)，也被稱(chēng)為塞貝克發(fā)電器，是運(yùn)用熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）將熱（溫度差）直接轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置，一般轉(zhuǎn)換效率約為 5-8%。

當(dāng)一個(gè)熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的兩端存在溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，而當(dāng)一個(gè)電壓施加于其上時(shí)，它也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差。因此，熱電效應(yīng)可以被用來(lái)產(chǎn)生電能、測(cè)量溫度，冷卻或加熱物體。

但是，基于熱電效應(yīng)的舊式熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)使用的是雙金屬接面，整體非常笨重。

同時(shí)，為保持工作效率，熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)必須符合曲面設(shè)計(jì)以及將熱障最小化，而且需要在發(fā)生大的形變情況下仍然顯示出耐久性。

近日，來(lái)自華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在這一方向取得了新的突破——研發(fā)了一種由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和印刷多功能軟質(zhì)材料制成的高效可拉伸熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)。

圖｜由多功能彈性體復(fù)合材料 3D 打印而成的可穿戴熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)（來(lái)源：該論文）

據(jù)介紹，這種柔性的、可穿戴的熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)，不僅可以將體熱轉(zhuǎn)化為電能，而且還具備柔軟、可拉伸、結(jié)實(shí)、高效的特性。在以往的研究中，這些特性很難完全組合到一起。

相關(guān)研究論文以“Printing Liquid Metal Elastomer Composites for High-Performance Stretchable Thermoelectric Generators”為題，已發(fā)表在科學(xué)期刊 Advanced Energy Materials 上。華盛頓大學(xué)機(jī)械工程碩士研究生 Youngshang Han 是該論文的第一作者，華盛頓大學(xué)機(jī)械工程助理教授 Mohammad Malakooti 為該論文的通訊作者。

“如果把本來(lái)會(huì)被浪費(fèi)到周?chē)沫h(huán)境中的熱能收集起來(lái)，那就是 100% 賺到了。要想把這些能量用于自供電電子設(shè)備，還需要一個(gè)更高的功率密度；而且利用增材制造技術(shù)還可以提高生產(chǎn)可拉伸電子產(chǎn)品的效率，并與可穿戴設(shè)備無(wú)縫集成?！?Malakooti 說(shuō)。

據(jù)論文描述，即使經(jīng)過(guò) 30% 應(yīng)變的拉伸循環(huán) 15000 余次后，原型熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)仍然可以保持完整的功能，這一優(yōu)異性能是通過(guò)利用 3D 打印和調(diào)整 TEG 設(shè)備中每個(gè)層的材料屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)顯示，該熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的功率密度比以往的可拉伸熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)增加了 6.5 倍。

圖｜熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)與鋁塊的發(fā)電試驗(yàn)。（來(lái)源：該論文）

為了制造出這一熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)在每一層都打印了具有工程功能和結(jié)構(gòu)特性的復(fù)合材料。其中，填充材料內(nèi)的金屬金屬合金可以提供高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，這些金屬合金解決了以往設(shè)備的不能拉伸、傳熱效率低和制造過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題。

此外，為了減輕熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的重量，以及將熱量導(dǎo)向核心層的半導(dǎo)體，研究團(tuán)隊(duì)也向其中嵌入了空心微球。

圖｜可拉伸熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制備示意圖。（來(lái)源：該論文）

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們可以將該熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)應(yīng)用到衣服和其他物體上，比如打印在可拉伸的紡織品和曲面上，并對(duì)其在自供電可穿戴電子設(shè)備、熱觸覺(jué)傳感器、軟機(jī)器人和人機(jī)交互方面的應(yīng)用潛力感到興奮。

未來(lái)，他們將通過(guò)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和選擇更合適的材料等方法繼續(xù)提高該熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的性能。

Malakooti 表示，這項(xiàng)研究的一個(gè)獨(dú)特之處在于，從材料合成到器件制造和表征，覆蓋了整個(gè)生產(chǎn)流程。這讓他們可以自由地設(shè)計(jì)新材料，發(fā)揮創(chuàng)意，設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中的每一步。

參考鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202201413

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_generator