哈工大开发出小型 “腕带”,每平方厘米可产生20.6微瓦电能,可点亮LED

2021-05-11 07:42:42 DeepTech深科技

也许没有永不失联的爱,但未来很快有 “永不断电” 的可穿戴电子设备。

图|柔性 TEG(Thermoelectric Generator)腕带将皮肤发出的热量转换为电力并点亮 LED(来源:Cell Reports Physical Science)

可穿戴电子设备的功耗较低,在 100 纳瓦(nW)到 10 毫瓦(mW)之间,可利用电池模块为其供电。

虽然在电量耗尽后,电池模块可以循环充电,但其续航时间有限。

如果在使用可穿戴设备的关键时刻,出现突然没电的情况,那就很麻烦。例如,徒步者在深夜前行,但如果智能手表突然没电,难免让人揪心。

怎样才能避免没电的意外情况呢?

办法有两种:改进电池性能;采用新的供电方式。

哈尔滨工业大学团队成功开发出一种微小的柔性 “腕带”,这是一种能量转化装置。该装置能把来自人体皮肤的热量转化为电能,只要环境温度低于体温,就可以为电子设备实时供电。

图|相关研究论文(来源:Cell Reports Physical Science)

这项研究的相关研究论文,于 4 月 29 日发表在《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)杂志上。哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院教授张倩是该论文的通讯作者。

什么是 TEG(热电发电机)呢?TEG 也被称为温差发电器,是一种固态器件,利用塞贝克效应将热能直接转化为电能。

热电发电机(TEG)拥有以下优良性能:运行安静无噪音、便于携带、可靠性高、且无工作流体和运动部件,它有望作为传统电池的替代品,提供一种全新的供电方式。

图|TEG体温发电原理(来源:Cell Reports Physical Science)

该领域潜力巨大、前景广阔,因为TEG 可以回收能源,而这些能源通常作为废热而损失,TEG的应用可帮助提高能源利用率。

与传统发电机不同,传统电机使用动能发电,需要定期维护移动部件。而热电发电机没有移动部件,基本上无需维护,可谓”轻装上阵,简单便捷“。

而且,TEG发电机还可为偏远山区的机器和空间探测器提供能源,只需安装在相关设备上即可,可以大大减少人力维护成本。

传统的 TEG 通常是刚性的,不能弯折。虽然有机热电材料不是刚性的,能够在一定程度上弯曲,但其弯曲性能尚未满足应用需求。

可发电腕带成功点亮 LED 灯

为了克服这一限制,即增加TEG的弯曲性能,使设备更适应可穿戴设备,张倩和她的团队设计了一个自供电的电子系统原型,该原型有极佳的弯曲性能。

图|FTEG的实时电源(来源:Cell Reports Physical Science)

这一电子系统原型来之不易,经过多种材料组合测试后,张倩及其团队又对方案进行多次改进,最终才得到了与设想最接近的柔性热电发电机(FTEG )设计。

该设计是一条长 115 毫米,宽度约 30 毫米的腕带,它利用人的皮肤温度和环境室温之间的差异来产生能量。实验效果令人满意,该设备每平方厘米可产生 20.6 微瓦的电,足以点亮与腕带相连的 LED,可满足大部分可穿戴电子设备的用电需求。

图|FTEG制造流程示意图(来源:Cell Reports Physical Science)

大部分 FTEG 是以硅橡胶为基体,最常用的材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

而该研究采用了低热导的多孔聚氨酯基体,不仅增大了基体与热电材料结合力,还增大了器件内部温差使器件具有更高的输出功率。此外,这种多孔聚氨酯基质质量更轻,穿戴起来更加方便。这样一来,更有利于满足市场需求,实现产品落地。

图|PDMS 基体、多孔 PU 基体之间的性能比较(来源:Cell Reports Physical Science)

为了得出理想的设计原型,研究人员设计出了一种装置,该装置由热电腿和柔性电极组成,具有 18 对 TE 支腿、总电阻为 230 毫欧姆(mΩ)。

团队最终通过实验测得:在 289K 的环境温度下,FTEG 可提供电压,且每平方厘米高达 20.6 微瓦。

此外,研究人员还采用 FPCB 工艺,制备了复合电极。具体来说,是铜(Cu)/ 聚酰亚胺(PI)复合电极,这种复合电极的耐弯折性极佳。

该复合电极具有其优越性:一般铜膜电极以曲率半径为 1mm 弯曲 10 次后就会破裂,但 Cu/PI 复合电极在不同弯曲方向、不同的弯曲半径( 40mm ~ 10mm)表现出极佳的可靠性。

例如,在 “13.4 mm 的半径弯曲一万次” 这项测试中, Cu/PI 复合电极没有发现明显的性能变化。

最后,借助升压装置,可以成功把来自人体手臂的热能转化为电能,不间断地为 LED 小灯供电,让可穿戴电子设备实时供电、永不断电!

为智能手表和脉冲传感器等电子产品供电

张倩及其团队希望探索这些可靠的发电机,希望小型温差发电器能够取代健身跟踪器、智能手表和生物传感器这些设备中的传统电池。

图|可穿戴智能手表(来源:Pixabay)

测试表明,该柔性热电发电机至少经受一万次重复弯曲,但性能没有显著变化。此外,市售的 TEG 严重依赖稀有金属碲,新的设计部分采用镁基材料,可以大大降低大规模生产的成本。

该原型器件已经有良好的性能,如果被引入市场,使用适当的电压转换器,可以为电子产品供电,例如智能手表、脉冲传感器、可穿戴发光衣服等设备。

进一步,有望通过增加腕带上 TEG 的尺寸并集成电压转换器,以使其为更大的电子设备供电,尽管这样做将需要增加整个设备的尺寸

“体温发电机” 可助力环保和医疗行业

可穿戴电子设备相关科技发达的今天,清洁能源短缺、碳排放超标是令人头疼的问题,因为环保已是全球刻不容缓的议题。

人们在考虑环保时,还要考虑经济模式和经济效益。例如,碳捕获和碳封存技术有几十年的发展史了,已经很成熟了,为什么世界各国在面对碳中和目标时,感到压力巨大?因为缺少长期和持续的盈利模式。

可以说,在环保之路上,技术是个问题,但它已不是最关键的问题。承载技术的产品,可以在适当的商业模式下,持续而长久的盈利,才是能让技术落地的关键所在,也是实现环保目标的重要保障。

图|环保宣传图(来源:Pixabay)

人类对绿色能源的需求越来越大,TEG 正好适合,因为它们可以将浪费的热量转化为动力。虽然太阳能具有非常普及的应用,但是它只能在有太阳时才能利用,但 TEG 可以在许多情况下,只要存在温差就能产生能量。

TEG 能广泛地应用于可穿戴电子设备,除了助力人们日常生活,还能为人们健康保驾护航。例如 TEG 如果应用于可穿戴心电仪,将为人们日常的心电监测提供更稳固可靠的保障。

心电监测智能手表已经问世,它具有可穿戴设备的便利性,并且能够提供接近医疗设备的精度。2018 年,苹果的带有心电图 (ECG) 功能的 Apple Watch 已经问世,并且该功能已经通过 FDA 认证。随后,健康设备公司 Withings 也宣布计划发布一款配有心电图功能的手表。

目前,可穿戴心电图监测设备仍处于研发阶段,换句话说,目前的检测设备,只有一个传感器,而真正有实用医疗价值的心电图检测设备,则有 12 个传感器。当然,现在还没有任何一种可穿戴心电检查设备,能够诊断心脏病。

即便如此,在此我们完全可以畅想,将来心电监测智能手表如果能成功搭载 TEG 技术,那么将给人类健康带来巨大的改变。

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