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

1975 年，世界上第一塊計算器手表問世。

這款采用 18 K 金打造的“原始版”可穿戴電子設(shè)備，當(dāng)時的售價高達(dá) 3950 美元（如今的售價約為 2 萬美元）。高昂的價格，讓大多數(shù)試圖“先買為敬”的消費者們望而卻步。

而且，過小的數(shù)字鍵需要使用搭配的手寫筆才能點按準(zhǔn)確，其電池也僅僅支持使用幾個星期。

圖｜世界上第一塊計算器手表 Pulsar

盡管如此，這款計算器手表的問世，代表了可穿戴電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的開始。

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)實頭戴式耳機、智能眼鏡等可穿戴電子設(shè)備開始“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)測人體活動和健康狀況。

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

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

熱傳導(dǎo)發(fā)電機，也被稱為塞貝克發(fā)電器，是運用熱電效應(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)一個熱傳導(dǎo)發(fā)電機的兩端存在溫差時，就會產(chǎn)生一個電壓，而當(dāng)一個電壓施加于其上時，它也會產(chǎn)生一個溫差。因此，熱電效應(yīng)可以被用來產(chǎn)生電能、測量溫度，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)電機使用的是雙金屬接面，整體非常笨重。

同時，為保持工作效率，熱傳導(dǎo)發(fā)電機必須符合曲面設(shè)計以及將熱障最小化，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，來自華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊在這一方向取得了新的突破——研發(fā)了一種由無機半導(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。

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（來源：該論文）

據(jù)介紹，這種柔性的、可穿戴的熱傳導(dǎo)發(fā)電機，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、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)機械工程助理教授 Mohammad Malakooti 為該論文的通訊作者。

“如果把本來會被浪費到周圍的環(huán)境中的熱能收集起來，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)備無縫集成?！?Malakooti 說。

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

圖｜熱傳導(dǎo)發(fā)電機與鋁塊的發(fā)電試驗。（來源：該論文）

為了制造出這一熱傳導(dǎo)發(fā)電機，研究團(tuán)隊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程復(fù)雜的問題。

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

圖｜可拉伸熱傳導(dǎo)發(fā)電機的設(shè)計與制備示意圖。（來源：該論文）

研究團(tuán)隊表示，他們可以將該熱傳導(dǎo)發(fā)電機應(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，并對其在自供電可穿戴電子設(shè)備、熱觸覺傳感器、軟機器人和人機交互方面的應(yīng)用潛力感到興奮。

未來，他們將通過優(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)電機的性能。

Malakooti 表示，這項研究的一個獨特之處在于，從材料合成到器件制造和表征，覆蓋了整個生產(chǎn)流程。這讓他們可以自由地設(shè)計新材料，發(fā)揮創(chuàng)意，設(shè)計生產(chǎn)過程中的每一步。

參考鏈接：

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

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