中科院研製出利用溫差發電材料 通過體溫就能為智能手錶充電

2020-12-07 騰訊網

利用溫差就可以發電？聽起來挺神奇的。其實科學家們已經在這個領域探索很多年。

1821 年，德國人 seebeck 發現，在兩種不同金屬（銻與銅）構成的迴路中，如果兩個接頭處存在溫度差，其周圍就會出現磁場，又通過進一步實驗發現迴路中存在電動勢。這一效應的發現，為測溫熱電偶、溫差發電和溫差電傳感器的製作奠定了基礎。

溫差電技術研究始於 20 世紀 40 年代，於 20 世紀60年代達到高峰，並成功地在太空飛行器上實現了長時發電。近幾年來，溫差發電機不僅在軍事和高科技方面，而且在民用方面也表現出了良好的應用前景。

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溫差發電用的是什麼原理？將兩種不同類型的熱電轉換材料 Ｎ 和 Ｐ 的一端結合併將其置於高溫狀態，另一端開路並給以低溫時，由於高溫端的熱激發作用較強，空穴和電子濃度也比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向低溫端擴散，從而在低溫開路端形成電勢差。

這種以熱電材料為核心的熱電轉換技術可不依靠任何外力將「熱」與「電」兩種不同形態的能量直接轉換，備受科學界和工業界的廣泛關注。

中科院金屬研究所日前研製出可利用人體體溫與周圍環境的溫差發電，可為藍牙耳機、健康監測器、手錶、智能手環等可穿戴電子設備供電。

在金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室，邰凱平研究員介紹了這一新材料：不足一指寬、0.1毫米厚的單片灰色軟質薄膜，貼在人體手腕處，所連接的測量電錶上立刻顯示出有明顯輸出電壓。

「這種高性能柔性熱電材料可實現最薄僅為數十微米。」邰凱平說，「通過材料製成的薄膜電池可以回收利用日常生活中隨處可見的廢熱發電，比如利用照明燈燈罩散發的熱量或人體體溫。」

邰凱平說，使用人體體溫發電時，體溫與環境溫度相差15攝氏度左右時可實現微瓦——毫瓦量級發電量，發電效果隨著溫差的增大而提高，特別是當人體運動時消耗生物化學能產生熱量或是北方地區室外年平均溫度低於20攝氏度的時候。只要有溫差存在就可以發電，體溫高於環境溫度或是環境溫度高於體溫都可以。

柔性熱電「發電機」器件結構設計示意圖及回收廢熱發電演示驗證

據介紹，利用上述新材料製成的薄膜電池，即「柔性、可裁剪碲化鉍/纖維素複合熱電薄膜電池」，首次將高性能碲化鉍熱電材料與低成本纖維素紙進行網絡結構複合，同時具有優異的變形能力，能夠充分貼合複雜曲率變化的人體體表，並維持與周圍環境的溫差，從而提升熱能轉換效率，可應用於新一代低功耗微系統供電技術。

隨著能源與環境危機的日漸突出，以及一批高性能熱電轉換材料的開發成功，溫差電技術的研究又重新成為熱點。特別是近年來以可穿戴式、植入式為代表的新一代智能微納電子系統迫切需求開發微瓦-毫瓦級自供電技術代替傳統充電電池，以滿足其向微型化、高密度化、高穩定性和可靠性發展的技術需求。而這種熱電材料，可利用人體體溫與周圍環境的溫差發電，因此成為可攜式智能電子器件自供電技術的有效解決方案。中科院金屬研究所研究團隊預計，未來5年，這種新材料就可以實現商業化。

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