熄燈一小時就是環保?能用體溫發電的薄膜了解一下?

2020-12-07 中國科學院

　　又到了「地球一小時」活動時間，不少人希望用關燈60分鐘的方式喚起大家對環保和能源問題的重視。不過，說到解決能源問題，僅僅熄燈怎麼夠？！

　　我們用的電是從哪來的？水電站、火電廠、風電站、核電站……

　　如果我告訴你，只需要通過一塊薄膜，體溫也能發電呢？

　　這怎麼可能？！這和「用愛發電」有區別嗎？

　　中國科學院金屬研究所研發的高性能柔性熱電材料就能做到！

　　發電、製冷、控溫，熱電材料全能幹！

　　熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料，它的應用很神奇：

　　1.如果同時在兩端接觸不同溫度，則會在內部迴路形成電流，溫差越大，產生的電流越強；

　　2.如果通入電流之後，會產生冷熱兩端，可以用來冷卻也可以用來控溫。

熱電材料發電（a）和製冷（b）原理示意圖

　　熱電材料的應用不需要使用傳動部件，工作時無噪音、無排棄物，對環境沒有汙染，並且性能可靠，使用壽命長，是一種具有廣泛應用前景的環保材料。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，目前備受科學界和工業界的廣泛關注。

　　特別是近年來可穿戴式、植入式為代表的新一代智能微納電子系統應用廣泛，迫切需要開發微瓦-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。熱電材料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。

　　兩大技術難題

　　熱電材料前景廣闊，但是我們在日常生活中卻很少見到，主要是受到兩大技術難點的制約：

　　1.與其他種類的換能形式相比，熱電技術的換能效率不高，只有約10%，嚴重製約著熱電技術產業的發展。熱電材料的性能可由熱電優值（zT）來衡量,但由於本徵物理屬性的限制，決定熱電優值的各個參數相互關聯制約，使得熱電材料的優值係數難以大幅度提高。

　　2.熱源與熱電材料之間接觸不良所導致的熱能損失也成為制約現有熱電技術發展的關鍵因素之一。為保持溫差，充分利用熱能發電，需要熱電材料/器件與熱源表面緊密貼合。然而，在實際應用中無論是人體體表還是熱源管道，都具有複雜曲率變化的幾何表面。傳統無機熱電材料，由於其本徵脆性，不能滿足緊密貼合曲率變化熱源表面的要求，使得熱源與熱電材料/器件之間的熱能損失處於較高範圍。

　　柔性熱電材料牛在何處

　　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，這就是金屬所研發的高性能柔性熱電材料。它一次解決了上述兩個技術難題！

複合柔性熱電材料原位彎曲電學性能測試及利用人體體溫與環境溫差形成的熱電壓

　　金屬所邰凱平研究團隊首次採用非平衡磁控濺射技術，以纖維素紙為基體，製備出具有微米至納米多尺度孔隙結構的碲化鉍（Bi2Te3）複合熱電薄膜材料，如下圖所示。

　　這種材料的非凡之處在於：

　　• 該複合材料碲化鉍薄膜沉積厚度可達數十微米，碲化鉍薄膜與纖維素界面結合緊密，能有效降低薄膜器件的內阻，提高材料有效輸出功率；

　　• 三維網絡結構、微米-納米尺度孔隙結構和Bi2Te3薄膜厚度等賦予該複合材料良好的柔性；

　　• 多尺度孔隙結構有效降低該複合材料熱導率值，使其接近於碲化鉍理論最低值，提高熱電性能；

　　• 碲化鉍薄膜表面存在本徵的氧化層，可散射過濾低能載流子，明顯提高熱電係數，輸出電壓。

　　因此，纖維素/碲化鉍複合材料室溫至473K的熱電性能zT值可達0.24~0.38，並有望通過載流子濃度優化而進一步提升。

　　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。

　　研究人員表示，這種高性能柔性熱電材料最薄僅為數十微米。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。

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

　　這麼牛的材料 不久就能用上啦

　　高性能柔性熱電材料能夠利用人體體溫發電，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。

　　研究團隊預計：未來5年，這種新材料就可以實現商業化，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。

　　而實現溫差製冷也不遠了！團隊已經成功研發出Bi2Te3合金薄膜微型製冷器，厚度約為25微米，最小面內尺寸約200×200微米，微區製冷通量可達~40 W/cm2。該器件在微系統熱管理領域具有非常廣泛的應用前景，如CPU晶片定點散熱、微型雷射二極體控溫等。

熱電薄膜微型製冷器光學照片和輪廓儀分析（a）-（c），三維結構示意圖（d）

　　人類離不開能源，但也需要優良的環境，如何解決兩者之間的矛盾？可再生能源是關鍵！隨著熱電材料的不斷進步，除了常見的水能、風能、太陽能等清潔能源，生活中常見的熱能也是我們取之不盡用之不竭的選擇！

　　參考文獻：

　　[1]Scripta Materialia, 119，33-37，2016

　　[2]Acs Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.7b16356

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