新型柔性可穿戴熱電發電機:效率更高、性能更好!

2020-12-03 環球創新智慧

導讀

柔性和自供電，是目前可穿戴設備的技術前沿和發展方向。最近，美國北卡羅萊納州立大學的研究人員為了提高柔性可穿戴設備中熱電發電機的性能和效率，採用EGaIn 液態金屬互連線連接溫差電元件，這些互連線不僅電阻很低，還具有拉伸和自我修復的特性。

關鍵字

柔性、自供電、溫差電、可穿戴

背景

時下，可穿戴設備越發流行，其功能也更加豐富多彩。筆者也曾為大家介紹過多款頗具特色的可穿戴設備，例如智能手環、手錶、眼鏡、頭盔等等，它們可應用於健康監測、疾病預防、運動監測、環境監測、遊戲娛樂、AR/VR、人機互動、輔助駕駛等方面。

柔性化是當今電子產品一個重要發展方向，可穿戴設備當然也不例外。柔性可穿戴設備具有彈性、韌性、拉伸性、自修復性等優勢，與皮膚貼合的更好，佩戴舒適度更佳。下面兩幅圖片來自筆者之前介紹過的相關柔性可穿戴產品，舉例為大家展示一下。

（圖片來源於：東京大學）

（圖片來源於：John A. Rogers / 西北大學）

除了通過柔性提高用戶穿戴舒適度，可穿戴設備還有一個重要痛點，就是電池。續航時間短、反覆充電等問題都非常影響用戶體驗。對此，筆者也一直十分關注。能量採集和供應，是可穿戴設備乃至整個電子產品的研究前沿和重點，之前筆者也介紹過幾種實現設備自供電的能量採集方案。

《新型塗層將織物變電路：未來將讓衣服實現自供電》一文中介紹過美國麻薩諸塞大學安姆斯特分校的科研人員開發出一種透氣、柔韌、不含金屬的電極。當你穿上具有這種電極的衣服，通過人體運動就能產生電能，讓衣服閃閃發光。

三種不同的織物，將拉扯或者輕拍的動作產生的能量轉化為電能。

（圖片來源於：麻薩諸塞大學安姆斯特分校）

《新型紡織品利用太陽能和風能為可穿戴電子產品供電》一文中介紹過美國喬治亞理工學院的研究人員開發出一種新型紡織品，它結合了兩種電能產生方式：將太陽能或者動能轉化為電能。除了利用太陽能，其中還設計到一個重要原理：摩擦起電效應，即通過旋轉、滑動、振動等物理運動所引起的摩擦起電效應產生電能。

（圖片來源於：喬治亞理工學院）

《擺脫電池！？柔性納米設備利用人體運動發電》一文中，介紹過美國密西根州立大學研究團隊發明出一種低成本的薄膜設備鐵電駐極體納米發電機，英文簡稱：FENG。原理就是利用人體運動施加壓力，在設備形變後，產生出大量電能。

(圖片來源於：密西根州立大學)

除了上述的能量採集方式，還有一種實現設備自供電的能量採集方式也非常重要，它就是溫差發電。

這種方式能讓可穿戴設備利用人體熱量發電，溫差發電的基本原理是「澤貝克」效應，即兩種不同的金屬連接成閉合迴路時，如果兩個連接點的溫度不一樣，就會產生微小的電壓。

然而，可穿戴設備要實現溫差發電，離不開一種非常重要的設備，就是"熱電發電機"(TEGs)，它可以持續地利用身體與周圍環境之間的溫度差異發電。

嵌入TEGs的T恤 (左)TEGs臂章 (右)

（圖片來源於：北卡羅萊納州立大學）

創新

通過上述背景介紹，相信大家對於柔性可穿戴設備、自供電以及TEGs 都有了一定的了解。然而，今天要介紹的相關創新技術就是關於熱電發電機(TEGs)的。從用戶體驗和舒適度的角度來說，TEGs作為進行能量採集的可穿戴設備，需要與人體發生接觸，所以柔軟、輕薄、彈性就顯得非常重要。

可是，迄今為止所報告的柔性TEGs設備，其性能和效率都遠遠落後於剛性TEGs設備。原因主要是溫差電材料效率較低，電或熱的寄生損失， 以及由於合成技術限制了熱電腿的尺寸。

然而，美國北卡羅萊納州立大學的工程師們的創新研究旨在解決上述問題，他們採用了EGaIn 液態金屬互連線連接溫差電元件，這些互連線不僅電阻很低，還具有拉伸和自我修復的特性。相關論文發表於《應用能源》雜誌，研究人員也為此申請了專利。

（圖片來源於：Mehmet Ozturk / 北卡羅萊納州立大學）

技術

Ozturk 稱，他和他的同事們想要在柔性包裝中，採用剛性設備使用過的最佳的溫差電材料，這樣製造商將無需為製造柔性設備再開發新材料。

所以，這項創新所面臨的主要技術挑戰變成了，互連線採用什麼樣的材料。在柔性能量採集器中，互連線連接著這些溫差電元件。所以，互連線不僅要求可靠性強，而且電阻還要低。

Ozturk 稱，他們採用液態金屬鎵和銦，組成一種普通的、無毒的合金「EGaIn 」，用於連接熱電腿。這些連接線的電阻很低，這一點非常重要，因為產生的能量與電阻成反比：電阻越低意味著能量越高。

EGaIn 液態金屬互連線 是這項創新的關鍵促成因素。它不僅具有極低的電阻，而且具有拉伸性和自修復性，這些對於柔性溫差電材料都是必需的。液態金屬也具有自修復性，即使萬一連接線斷開，液態金屬將使其重新連接，讓設備重新高效工作，這點讓剛性設備望塵莫及。

（圖片來源於：Mehmet Ozturk / 北卡羅萊納州立大學）

價值

北卡羅萊納州立大學的教授，研究論文的作者之一 Mehmet Ozturk 稱，這種柔性器件具有良好的接觸電阻和皮膚接觸體驗，同樣也考慮到了設備佩戴者的舒適度和人體工學因素。

研究結果顯示這種新方案能夠最終生產出柔性的TEGs，性能和效率可以挑戰剛性的TEGs，為實現自供電的可穿戴設備又開闢了一條新途徑。

未來

未來，Ozturk 稱他們將致力於採用進一步消除寄生電阻的材料和技術，提升這些柔性設備的效率。

參考資料

【1】https://news.ncsu.edu/2017/06/flexible-wearable-electronic-device/

【2】http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261917307420

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