哈工大开发出小型“腕带”—基于Mg3Bi2热电模块的可穿戴实时电源

中国哈尔滨工业大学的研究人员开发了一个包含热电发电机（TEG）的可穿戴的腕带，它可以将身体热量转化为足够的电能来驱动LED，这项技术可能会为智能手表供电，并结束对传统充电硬件的需求。相关论文发表在《Cell Reports Physical Science》上。

随着个人医疗保健系统和物联网（IoT）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）进入我们的生活。可穿戴电子元件的基本部件一般功耗为100 nW至10 mW。热电发电机（TEGs）可以从人体获取热能，因为其独特的特性，如无工作流体、无运动部件、安静操作、可靠性和可移植性，它将是传统电池的一种很有吸引力的替代品。然而，传统的TEG是刚性的，与可穿戴电子元件不兼容。因此，柔性TEGs（FTEG）的设计和制造可以满足可穿戴电子电源的需求。

有三种常见的柔性热电发电机(FTES)，分别为基于薄膜的、基于聚合物的以及基于本体的，其中体基热电支腿结合了柔性矩阵的帮助。在这方面，基于薄膜的FTEG通过减小体积材料一维尺寸实现了灵活性，这给实际应用带来了巨大的挑战，因为无论是平面内结构还是采用的平面外结构，都需要同时实现大温差和高功率密度。聚合物基的FTEG依赖于有机材料的固有柔韧性，通过向有机物中添加无机材料，可以改善其TE性能。虽然可以获得厚的TE复合膜（0.1-1mm）甚至大块TE复合材料，但由于有机物的存在，这些有机/无机复合材料的电性能远远低于无机材料。退火通常依赖于去除有机物和改善电性能，尽管这显著牺牲了聚合物基FTEG的灵活性。体基FTEGs因其优良的TE性能而被广泛采用，但其灵活性有待进一步研究。由于大体积支腿、柔性基体和柔性电极之间的不相容性，大多数具有大体积支腿的FTEG只能经受100-200次弯曲，这对于实际应用是不够的。

这里，研究人员开发了一个可穿戴的腕带包含一个热电发电机（TEG）可以将身体热量转化为足够的电能来驱动LED。未来，这项技术可能会为智能手表供电，并结束对传统充电硬件的需求。

图：腕带有一天可以利用体温为智能手表供电。来源：Alena Butusava/Getty Images

他们制造了一种可靠的，高性能的FTEG, 其采用p型基于Sb2Te3以及n型基于Mg3Bi2的材料，采用多孔聚氨酯（PU）基体和柔性印制电路板（FPCB）电极。所制造的FTEG在289k（空气流速1.1m/s）的环境温度下，显示出20.6 µW/cm2的峰值功率密度，在50k的温差下，显示出13.8 mw/cm2的峰值功率密度。在弯曲半径为13.4 mm的情况下，经过10000次弯曲循环后并没有显著变化（小于1.4% ）。这是由于设计了高效的传热表面和较低的基体K，以及强大的机械可靠性。最后，将一个尺寸为28.8×115.2×2.5 mm3的LED（发光二极管）灯连接到人的手臂上，表明FTEG的可穿戴式自供电电子系统可以通过捕获人体热能为LED灯提供实时供电。

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。未来，将根据功率要求和环境条件设计具有不同填充因子的FTEG，并设计更多具有其他功能的电子元件（例如：脉搏测试，肌肉氧测试，或无线传输）可以集成到可穿戴的自供电电子系统。