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用体温发电!科学家研发新型热传导发电机,高效耐用还可拉伸

作者:转载     发布时间:2022-8-8 点击数:227

 

1975 年,世界上第一块计算器手表问世。

这款采用 18 K 金打造的“原始版”可穿戴电子设备,当时的售价高达 3950 美元(如今的售价约为 2 万美元)。高昂的价格,让大多数试图“先买为敬”的消费者们望而却步。

而且,过小的数字键需要使用搭配的手写笔才能点按准确,其电池也仅仅支持使用几个星期。

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图|世界上第一块计算器手表 Pulsar

尽管如此,这款计算器手表的问世,代表了可穿戴电子设备产业的开始。

自此以后,随着新技术、新材料、新工艺的出现,智能手环、虚拟现实头戴式耳机、智能眼镜等可穿戴电子设备开始“飞入寻常百姓家”,它们体积轻巧、佩戴方便,不仅可以更加高效地处理外部信息,还能监测人体活动和健康状况。

然而,如何更好地为可穿戴电子设备和个性化生物监测系统持续供电,仍然是科学家在当前面临的一项巨大挑战。

一种很有前途的解决方案是使用热传导发电机(TEG),它可以将身体的热量转化为电能。

热传导发电机,也被称为塞贝克发电器,是运用热电效应(塞贝克效应)将热(温度差)直接转换成电能的一种装置,一般转换效率约为 5-8%。

当一个热传导发电机的两端存在温差时,就会产生一个电压,而当一个电压施加于其上时,它也会产生一个温差。因此,热电效应可以被用来产生电能、测量温度,冷却或加热物体。

但是,基于热电效应的旧式热传导发电机使用的是双金属接面,整体非常笨重。

同时,为保持工作效率,热传导发电机必须符合曲面设计以及将热障最小化,而且需要在发生大的形变情况下仍然显示出耐久性。

近日,来自华盛顿大学的研究团队在这一方向取得了新的突破——研发了一种由无机半导体和印刷多功能软质材料制成的高效可拉伸热传导发电机。

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图|由多功能弹性体复合材料 3D 打印而成的可穿戴热传导发电机(来源:该论文)

据介绍,这种柔性的、可穿戴的热传导发电机,不仅可以将体热转化为电能,而且还具备柔软、可拉伸、结实、高效的特性。在以往的研究中,这些特性很难完全组合到一起。

相关研究论文以“Printing Liquid Metal Elastomer Composites for High-Performance Stretchable Thermoelectric Generators”为题,已发表在科学期刊 Advanced Energy Materials 上。华盛顿大学机械工程硕士研究生 Youngshang Han 是该论文的第一作者,华盛顿大学机械工程助理教授 Mohammad Malakooti 为该论文的通讯作者。

“如果把本来会被浪费到周围的环境中的热能收集起来,那就是 100% 赚到了。要想把这些能量用于自供电电子设备,还需要一个更高的功率密度;而且利用增材制造技术还可以提高生产可拉伸电子产品的效率,并与可穿戴设备无缝集成。” Malakooti 说。

据论文描述,即使经过 30% 应变的拉伸循环 15000 余次后,原型热传导发电机仍然可以保持完整的功能,这一优异性能是通过利用 3D 打印和调整 TEG 设备中每个层的材料属性来实现的。数据显示,该热传导发电机的功率密度比以往的可拉伸热传导发电机增加了 6.5 倍。

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图|热传导发电机与铝块的发电试验。(来源:该论文)

为了制造出这一热传导发电机,研究团队在每一层都打印了具有工程功能和结构特性的复合材料。其中,填充材料内的金属金属合金可以提供高的导电性和导热性,这些金属合金解决了以往设备的不能拉伸、传热效率低和制造过程复杂的问题。

此外,为了减轻热传导发电机的重量,以及将热量导向核心层的半导体,研究团队也向其中嵌入了空心微球。

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图|可拉伸热传导发电机的设计与制备示意图。(来源:该论文)

研究团队表示,他们可以将该热传导发电机应用到衣服和其他物体上,比如打印在可拉伸的纺织品和曲面上,并对其在自供电可穿戴电子设备、热触觉传感器、软机器人和人机交互方面的应用潜力感到兴奋。

未来,他们将通过优化设备结构和选择更合适的材料等方法继续提高该热传导发电机的性能。

Malakooti 表示,这项研究的一个独特之处在于,从材料合成到器件制造和表征,覆盖了整个生产流程。这让他们可以自由地设计新材料,发挥创意,设计生产过程中的每一步。

参考链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202201413

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_generator


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