金属研究所 | 中国科学院 | 加入收藏
首页   科普讲堂   科学前沿   科学家   科学情怀   科学与艺术   视频欣赏   趣味知识   科普工作 投稿与意见征集
您正在访问:科学前沿
熄灯一小时就是环保?能用体温发电的薄膜了解一下?
2018-03-26 | 供稿: 】【打印】【关闭

  (本文首发于2018年3月24日“科学大院”公众号,由金属所邰凯平研究员和“科学大院”共同编辑,以下为原文。)

  今天,又到了“地球一小时”活动时间,不少人希望用关灯60分钟的方式唤起大家对环保和能源问题的重视。不过,说到解决能源问题,仅仅熄灯怎么够??!!

  我们用的电是从哪来的?水电站、火电厂、风电站、核电站……

  如果我告诉你,只需要通过一块薄膜,体温也能发电呢?

  这怎么可能?!这和“用爱发电”有区别吗?

  

  中科院金属研究所研发的高性能柔性热电材料就能做到!

  

发电、制冷、控温,热电材料全能干!

  热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料,它的应用很神奇:

  1. 如果同时在两端接触不同温度,则会在内部回路形成电流,温差越大,产生的电流越强;

  2. 如果通入电流之后,会产生冷热两端,可以用来冷却也可以用来控温。

图 热电材料发电(a)和制冷(b)原理示意图

  热电材料的应用不需要使用传动部件,工作时无噪音、无排弃物,对环境没有污染,并且性能可靠,使用寿命长,是一种具有广泛应用前景的环保材料。以热电材料为核心的热电转换技术可不依靠任何外力将“热”与“电”两种不同形态的能量直接转换,目前备受科学界和工业界的广泛关注。

  特别是近年来可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子系统应用广泛,迫切需要开发微瓦-毫瓦级自供电技术代替传统充电电池,以满足其向微型化、高密度化、高稳定性和可靠性发展的技术需求。热电材料因此成为便携式智能电子器件自供电技术的有效解决方案。

 

两大技术难题

  热电材料前景广阔,但是我们在日常生活中却很少见到,主要是受到两大技术难点的制约:

  1.与其他种类的换能形式相比,热电技术的换能效率不高,只有约10%,严重制约着热电技术产业的发展。热电材料的性能可由热电优值(zT)来衡量,但由于本征物理属性的限制,决定热电优值的各个参数相互关联制约,使得热电材料的优值系数难以大幅度提高。

  

  2. 热源与热电材料之间接触不良所导致的热能损失也成为制约现有热电技术发展的关键因素之一。为保持温差,充分利用热能发电,需要热电材料/器件与热源表面紧密贴合。然而,在实际应用中无论是人体体表还是热源管道,都具有复杂曲率变化的几何表面。传统无机热电材料,由于其本征脆性,不能满足紧密贴合曲率变化热源表面的要求,使得热源与热电材料/器件之间的热能损失处于较高范围。

 

柔性热电材料牛在何处

  不足一指宽、0.1毫米厚的单片灰色软质薄膜,贴在人体手腕处,所连接的测量电表上立刻显示出有明显输出电压,这就是中科院金属研究所研发的高性能柔性热电材料。它一次解决了上述两个技术难题!

图 复合柔性热电材料原位弯曲电学性能测试及利用人体体温与环境温差形成的热电压

  金属所邰凯平研究团队首次采用非平衡磁控溅射技术,以纤维素纸为基体,制备出具有微米至纳米多尺度孔隙结构的碲化铋(Bi2Te3)复合热电薄膜材料,如下图所示。

  

  这种材料的非凡之处在于:

  • 该复合材料碲化铋薄膜沉积厚度可达数十微米,碲化铋薄膜与纤维素界面结合紧密,能有效降低薄膜器件的内阻,提高材料有效输出功率;

  • 三维网络结构、微米-纳米尺度孔隙结构和Bi2Te3薄膜厚度等赋予该复合材料良好的柔性;

  • 多尺度孔隙结构有效降低该复合材料热导率值,使其接近于碲化铋理论最低值,提高热电性能;

  • 碲化铋薄膜表面存在本征的氧化层,可散射过滤低能载流子,明显提高热电系数,输出电压。

  因此,纤维素/碲化铋复合材料室温至473K的热电性能zT值可达0.24~0.38,并有望通过载流子浓度优化而进一步提升。

  利用上述新材料制成的薄膜电池,即“柔性、可裁剪碲化铋/纤维素复合热电薄膜电池”,首次将高性能碲化铋热电材料与低成本纤维素纸进行网络结构复合,同时具有优异的变形能力,能够充分贴合复杂曲率变化的人体体表,并维持与周围环境的温差,从而提升热能转换效率,可应用于新一代低功耗微系统供电技术。

  研究人员表示,这种高性能柔性热电材料最薄仅为数十微米。通过材料制成的薄膜电池可以回收利用日常生活中随处可见的废热发电,比如利用照明灯灯罩散发的热量或人体体温。

图 柔性热电“发电机”器件结构设计示意图及回收废热发电演示验证

 

这么牛的材料 不久就能用上啦

  高性能柔性热电材料能够利用人体体温发电,体温与环境温度相差15摄氏度左右时可实现微瓦-毫瓦量级发电量,发电效果随着温差的增大而提高,特别是当人体运动时消耗生物化学能产生热量或是北方地区室外年平均温度低于20摄氏度的时候。只要有温差存在就可以发电,体温高于环境温度或是环境温度高于体温都可以。

  研究团队预计:未来5年,这种新材料就可以实现商业化,为蓝牙耳机、健康监测器、手表、智能手环等可穿戴电子设备供电。

  而实现温差制冷也不远了!团队已经成功研发出Bi2Te3合金薄膜微型制冷器,厚度约为25 微米,最小面内尺寸约200×200 微米,微区制冷通量可达~40 W/cm2。该器件在微系统热管理领域具有非常广泛的应用前景,如CPU芯片定点散热、微型激光二极管控温等。

图 热电薄膜微型制冷器光学照片和轮廓仪分析(a)-(c),三维结构示意图(d)

  人类离不开能源,但也需要优良的环境,如何解决两者之间的矛盾?可再生能源是关键!随着热电材料的不断进步,除了常见的水能、风能、太阳能等清洁能源,生活中常见的热能也是我们取之不尽用之不竭的选择!

 

  参考文献:

  [1]Scripta Materialia, 119,33-37,2016

  [2]Acs Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.7b16356

  

文档附件

相关信息

中国科学院金属研究所 版权所有 辽ICP备05005387号

地址: 沈阳市沈河区文化路72号 邮编: 110016 联系信箱:office@imr.ac.cn