哈工大张倩教授团队：发明体温发电机，未来可穿戴设备或将不再需要电池
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说到清洁能源，我们都知道风能、水能以及太阳能等都可以用来发电，但你有没有想过，利用人体体温也能发电呢？
这并不是天方夜谭，4 月 29 日，《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）杂志报告了一项创新成果，来自哈尔滨工业大学的科研小组成功开发出一种小型、灵活的装置，该装置可以将人体皮肤散发的热量转化为电能，且能实时为 LED 灯供电，而且测试表明，该装置至少可经受 10000 次反复弯曲，性能没有明显变化。
张倩表示：“不要低估我们身体和环境之间的温差 —— 虽然很小，但实验表明它仍然可以发电，这是一个极具潜力的领域。” 研究小组希望这种 “体温发电机” 在未来可以取代传统电池，为可穿戴电子产品提供电力。
近年来，随着个人医疗健康系统和物联网的快速发展，越来越多的可穿戴电子产品（如生物传感器、智能手表、柔性发光器件、柔性显示器和电子皮肤等）进入了日常生活，这些可穿戴电子设备的功耗通常为 100 纳瓦（nW）到 10 毫瓦（mW）不等，由一个微小的电池包模块来供电，电量耗尽了可以循环充电，如想要提升续航时间，要么去改进电池和低功耗系统的性能，要么发明一种全新的供电方式。
作为传统电池的一种极具吸引力的替代品，热电发电机（TEGs）拥有无工作流体、无运动部件、运行安静、可靠性高、便于携带等独特性能，有望打造出一种创新解决方案。
但传统的 TEGs 材料是刚性的，与可穿戴电子设备不好兼容，因此，设计和制造柔性热电发电机（flexible TEGs）成了很多科研团队的目标。
1、用 Mg3Bi2 基热电材料制作了柔性热电发电机（FTEG）；
2、具有超低导热系数的多孔聚氨酯（PU）基体提高了输出电压；
3、设计了具有高效传热表面的柔性印刷电路板（FPCB）电极；
4、该 FTEG 器件具有高功率密度和高可靠性。
经过多种材料组合测试和方案改进，研究人员最终获得一种接近预期的 FTEG 设计，当环境温度为 289k（空气速度为 1.1m/s）时，在人的手臂上显示出每平方厘米 20.6 微瓦（W）的峰值功率密度，在温差为 50k 时显示出每平方厘米 13.8 毫瓦（mw）的峰值功率密度。在弯曲半径为 13.4 毫米的情况下，10000 次弯曲循环后没有显著变化（小于 1.4%）。
最后，将尺寸为 28.8mm×115.2mm×2.5mm 的 FTEG 连接到人的手臂上，成功点亮了一盏 LED 灯，这表明所制备的 FTEG 有可能成为日常生活中某些可穿戴电子设备的实时电源。
图｜FTEG 可穿戴实时电源，可连续将人体皮肤的热能转化为电能（来源：Cell Reports Physical Science）
制备工艺与测试
热电（thermoelectric，TE）材料方面，研究人员在 N 型镁铋材料（Mg3Bi2）的基础上进行了改进升级，并采用直接球磨和热压工艺制备出了质量更高的 TE 支腿。
如下图所示，先将 FPCB 电极粘贴在陶瓷基板上，再由激光标记去除多余的 PI 膜（聚酰亚胺薄膜），之后，把 n 型和 p 型 TE 支腿交替布置在陶瓷模板中，将 TE 模块从陶瓷基板上剥离并用 PU 填充。
图｜FTEG 制造工艺示意图（来源：Cell Reports Physical Science）
此外，由于大部分体基 FTEG 是以硅橡胶为基体，特别是聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体制备的，其表面能较低，很难与无机材料结合。在实验中，研究人员寻求采用一个更好的柔性聚合物矩阵，经测试发现，相对于 PDMS 材料，聚氨酯（PU）具有更强的附着力，特别是，他们有意创建了一个多孔聚氨酯基质，进而实现了优越的拉伸性和压缩性。这种多孔 PU 还具有较低的密度，使整个设备重量更轻，佩戴舒适。
由于多孔结构阻挡了空气对流，基体的 k 值远低于 TE 支腿的 k 值，因此当人体热量通过 FTEGs 时，相同高度下基体的温度低于 TE 腿的温度。热量随后将从 TE 支腿或顶部和底部电极横向转移至基体，结果就是，矩阵的 k 值很低，会降低整个 TE 模块的总 k 值，从而导致 FTEG 内的温差增大。
图｜PDMS 基质与多孔 PU 基质的性能比较（来源：Cell Reports Physical Science）
在最终的实验成品中，研究人员设计出了一种具有 18 对 TE 支腿的装置，该装置的总电阻为 230 毫欧姆（mΩ） ，由 TE 脚电阻（210mΩ）和接触层和电极电阻（20mΩ）组成。
基于赛贝克效应，输出电压会随着温差的增加而成比例增加，输出功率密度是在 10–50K 的不同温度下以 10K 的间隔获得的，由产生的功率除以 FTEG 设备模块的总面积计算得出。研究人员最终测得，在 289K 的环境温度下，FTEG 可提供高达每平方厘米 20.6 微瓦（W）的电压，测量的开路电位为 14.9 毫伏（mV），电压密度为每平方厘米 18.0 毫伏（mV）。
图｜器件的可靠性（来源：Cell Reports Physical Science）
此外，研究人员还采用 FPCB 工艺制备了铜（Cu）/ 聚酰亚胺（PI）复合电极，Cu/PI 复合电极具有优越的耐久性。
一般铜膜电极在半径为 1mm 处弯曲 10 次后就会破裂，但 Cu/PI 复合电极在不同弯曲方向以及从 40mm 到 10mm 的不同弯曲半径上都表现出极好的可靠性，在一项测试中，以 13.4 mm 的半径弯曲 10000 次后，没有发现明显的性能变化。
图｜FTEG 在人体手臂上的输出性能（来源：Cell Reports Physical Science）
最后，使用高度集成的 DC/DC 转换器，具有电源供应和电源管理的集成自供电电子系统，可通过捕获人体手臂的热能，持续向 LED 小灯供电，实现了可穿戴电子实时电源的应用。
结语
研究人员在结论中展望，这是一种低成本和可规模制备的 FTEG 穿戴，下一步，将根据功率要求和环境条件设计具有不同填充因子的 FTEG，比如集成其他功能的电子元件：脉冲测试、肌肉氧测试或无线传输等。
不过话说回来，这种可以将人体皮肤散发的热量转化为电能的设备固然很 “黑科技”，但原型产品看上去似乎并不小巧，怎么与当前越来越轻便、精密的可穿戴设备融合进行商业化应用，可能还有一段路要走。
基于这种贴在皮肤上就能发电的黑科技，未来的想象空间可能非常有趣。近年来，已有不少科学家开发出了先进的电子皮肤技术，电子皮肤不仅能显示信息，而且还具备触觉传感、测量血压、脉搏等功能，两类技术结合起来势必会碰撞出新的火花。
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