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未來很快有“永不斷電”的可穿戴電子設備

hl5C_deeptechch ? 來源:DeepTech深科技 ? 作者:DeepTech深科技 ? 2021-05-14 14:46 ? 次閱讀
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也許沒有永不失聯的愛,但未來很快有 “永不斷電” 的可穿戴電子設備。

可穿戴電子設備的功耗較低,在 100 納瓦(nW)到 10 毫瓦(mW)之間,可利用電池模塊為其供電。

雖然在電量耗盡后,電池模塊可以循環充電,但其續航時間有限。

如果在使用可穿戴設備的關鍵時刻,出現突然沒電的情況,那就很麻煩。例如,徒步者在深夜前行,但如果智能手表突然沒電,難免讓人揪心。

怎樣才能避免沒電的意外情況呢?

辦法有兩種:改進電池性能;采用新的供電方式。

哈爾濱工業大學團隊成功開發出一種微小的柔性 “腕帶”,這是一種能量轉化裝置。該裝置能把來自人體皮膚的熱量轉化為電能,只要環境溫度低于體溫,就可以為電子設備實時供電。

這項研究的相關研究論文,于 4 月 29 日發表在《細胞報告物理科學》(Cell Reports Physical Science)雜志上。哈爾濱工業大學(深圳)材料科學與工程學院教授張倩是該論文的通訊作者。

什么是 TEG(熱電發電機)呢?TEG 也被稱為溫差發電器,是一種固態器件,利用塞貝克效應將熱能直接轉化為電能。

熱電發電機(TEG)擁有以下優良性能:運行安靜無噪音、便于攜帶、可靠性高、且無工作流體和運動部件,它有望作為傳統電池的替代品,提供一種全新的供電方式。

該領域潛力巨大、前景廣闊,因為TEG 可以回收能源,而這些能源通常作為廢熱而損失,TEG的應用可幫助提高能源利用率。

與傳統發電機不同,傳統電機使用動能發電,需要定期維護移動部件。而熱電發電機沒有移動部件,基本上無需維護,可謂”輕裝上陣,簡單便捷“。

而且,TEG發電機還可為偏遠山區的機器和空間探測器提供能源,只需安裝在相關設備上即可,可以大大減少人力維護成本。

傳統的 TEG 通常是剛性的,不能彎折。雖然有機熱電材料不是剛性的,能夠在一定程度上彎曲,但其彎曲性能尚未滿足應用需求。

可發電腕帶成功點亮 LED

為了克服這一限制,即增加TEG的彎曲性能,使設備更適應可穿戴設備,張倩和她的團隊設計了一個自供電的電子系統原型,該原型有極佳的彎曲性能。

這一電子系統原型來之不易,經過多種材料組合測試后,張倩及其團隊又對方案進行多次改進,最終才得到了與設想最接近的柔性熱電發電機(FTEG )設計。

該設計是一條長 115 毫米,寬度約 30 毫米的腕帶,它利用人的皮膚溫度和環境室溫之間的差異來產生能量。實驗效果令人滿意,該設備每平方厘米可產生 20.6 微瓦的電,足以點亮與腕帶相連的 LED,可滿足大部分可穿戴電子設備的用電需求。

大部分 FTEG 是以硅橡膠為基體,最常用的材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

而該研究采用了低熱導的多孔聚氨酯基體,不僅增大了基體與熱電材料結合力,還增大了器件內部溫差使器件具有更高的輸出功率。此外,這種多孔聚氨酯基質質量更輕,穿戴起來更加方便。這樣一來,更有利于滿足市場需求,實現產品落地。

為了得出理想的設計原型,研究人員設計出了一種裝置,該裝置由熱電腿和柔性電極組成,具有 18 對 TE 支腿、總電阻為 230 毫歐姆(mΩ)。

團隊最終通過實驗測得:在 289K 的環境溫度下,FTEG 可提供電壓,且每平方厘米高達 20.6 微瓦。

此外,研究人員還采用 FPCB 工藝,制備了復合電極。具體來說,是銅(Cu)/ 聚酰亞胺(PI)復合電極,這種復合電極的耐彎折性極佳。

該復合電極具有其優越性:一般銅膜電極以曲率半徑為 1mm 彎曲 10 次后就會破裂,但 Cu/PI 復合電極在不同彎曲方向、不同的彎曲半徑( 40mm ~ 10mm)表現出極佳的可靠性。

例如,在 “13.4 mm 的半徑彎曲一萬次” 這項測試中, Cu/PI 復合電極沒有發現明顯的性能變化。

最后,借助升壓裝置,可以成功把來自人體手臂的熱能轉化為電能,不間斷地為 LED 小燈供電,讓可穿戴電子設備實時供電、永不斷電!

為智能手表和脈沖傳感器等電子產品供電

張倩及其團隊希望探索這些可靠的發電機,希望小型溫差發電器能夠取代健身跟蹤器、智能手表和生物傳感器這些設備中的傳統電池。

測試表明,該柔性熱電發電機至少經受一萬次重復彎曲,但性能沒有顯著變化。此外,市售的 TEG 嚴重依賴稀有金屬碲,新的設計部分采用鎂基材料,可以大大降低大規模生產的成本。

該原型器件已經有良好的性能,如果被引入市場,使用適當的電壓轉換器,可以為電子產品供電,例如智能手表、脈沖傳感器、可穿戴發光衣服等設備。

進一步,有望通過增加腕帶上 TEG 的尺寸并集成電壓轉換器,以使其為更大的電子設備供電,盡管這樣做將需要增加整個設備的尺寸

“體溫發電機” 可助力環保和醫療行業

可穿戴電子設備相關科技發達的今天,清潔能源短缺、碳排放超標是令人頭疼的問題,因為環保已是全球刻不容緩的議題。

人們在考慮環保時,還要考慮經濟模式和經濟效益。例如,碳捕獲和碳封存技術有幾十年的發展史了,已經很成熟了,為什么世界各國在面對碳中和目標時,感到壓力巨大?因為缺少長期和持續的盈利模式。

可以說,在環保之路上,技術是個問題,但它已不是最關鍵的問題。承載技術的產品,可以在適當的商業模式下,持續而長久的盈利,才是能讓技術落地的關鍵所在,也是實現環保目標的重要保障。

人類對綠色能源的需求越來越大,TEG 正好適合,因為它們可以將浪費的熱量轉化為動力。雖然太陽能具有非常普及的應用,但是它只能在有太陽時才能利用,但 TEG 可以在許多情況下,只要存在溫差就能產生能量。

TEG 能廣泛地應用于可穿戴電子設備,除了助力人們日常生活,還能為人們健康保駕護航。例如 TEG 如果應用于可穿戴心電儀,將為人們日常的心電監測提供更穩固可靠的保障。

心電監測智能手表已經問世,它具有可穿戴設備的便利性,并且能夠提供接近醫療設備的精度。2018 年,蘋果的帶有心電圖 (ECG) 功能的 Apple Watch 已經問世,并且該功能已經通過 FDA 認證。隨后,健康設備公司 Withings 也宣布計劃發布一款配有心電圖功能的手表。

目前,可穿戴心電圖監測設備仍處于研發階段,換句話說,目前的檢測設備,只有一個傳感器,而真正有實用醫療價值的心電圖檢測設備,則有 12 個傳感器。當然,現在還沒有任何一種可穿戴心電檢查設備,能夠診斷心臟病。

即便如此,在此我們完全可以暢想,將來心電監測智能手表如果能成功搭載 TEG 技術,那么將給人類健康帶來巨大的改變。

原文標題:哈工大開發出小型 “腕帶”,每平方厘米可產生20.6微瓦電能,可點亮LED

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責任編輯:haq

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