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體溫變電能，中國科學家研制出體溫發電新材料，僅有0.1 毫米厚

文章來源：賢集網更新時間：2024-07-29 09:27:04

想象一下，我們的體溫能夠轉化為電能，為生活帶來無盡的便利。這曾經是一個遙不可及的夢想，但中國科學家們讓它逐漸走向了現實。

神奇的人體體溫發電材料技術

體溫發電，聽起來如同科幻小說中的情節，但如今已成為現實。其基本原理是“澤貝克”效應，即兩種不同的金屬連接起來構成一個閉合回路時，如果兩個連接點的溫度不一樣，就能產生微小的電壓。

早在 2007 年，德國弗朗霍夫集成電路研究所的科學家就開始探索這項新技術，他們通過半導體利用溫差來獲取電能。而在 2016 年，美國北卡羅來納州立大學研究人員發明的“充電貼”，僅有 2 毫米厚，可以隨意折疊，底層是熱傳導材料能緊緊貼合皮膚，上面覆蓋著防止熱量散失的聚合體材料薄膜，這樣的結構可以“強迫”熱量穿過其中的溫差發生器，從而將熱量轉化為電能。

我國在體溫發電技術上的突破

我國的科研團隊在這一領域也取得了顯著進展。2018 年，中科院金屬研究所研制出能夠利用體溫發電的新材料，這種新材料是不足一指寬、0.1 毫米厚的單片灰色軟質薄膜，貼在人體手腕處，所連接的測量電表上立刻顯示出有明顯輸出電壓。

而張倩教授和毛俊教授團隊發現的鉍化鎂單晶，更是將這一技術推向了新的高度。碲摻雜的鉍化鎂

（一）可彎折“精靈”——鉍化鎂單晶

突破常規的柔韌性：鉍化鎂單晶宛如一位靈動的“精靈”，擁有著超乎想象的可彎折、扭曲特性。傳統的單晶材料通常較為脆弱，而鉍化鎂單晶（Mg?Bi?.???Te?.???）的出現打破了這一常規。

單晶在面內方向的熱電功率因子約為 55μW cm?¹ K?²，室溫熱電優值 ZT 約為 0.65。通過對比不同材料的室溫熱電性能與材料的最大拉伸應變，可以發現鉍化鎂單晶兼具優異的塑性與熱電性能，優于目前的塑性半導體材料。它能夠在不破裂的情況下，輕松地被彎曲和扭轉，展現出了極高的柔韌性。

研究團隊成功制備出了厘米級高品質鉍化鎂單晶，這是該突破的關鍵基石。實驗數據表明，鉍化鎂單晶在面內方向的壓縮應變超過75%，拉伸應變更是高達100%，這一數值相較傳統熱電材料高出了一個數量級。例如，傳統的熱電材料如 Bi?Te?、PbTe、GeTe 等，其最大壓縮應變通常不超過5%，而鉍化鎂單晶的表現遠遠優于它們。甚至與部分具有類似晶體結構的金屬材料如鈦、鎂、鋯、鈷和鉿相比，鉍化鎂單晶也毫不遜。

鉍化鎂單晶的獨特之處不僅在于其高應變數值，更在于它可以在室溫下輕松實現彎折、扭曲等多種類型的塑性形變。你可以想象一下，這種單晶就如同柔軟的金屬絲一般，能夠被隨意彎曲成各種形狀，例如被折疊、扭曲或彎曲成顯示“hitsz”的字母，且彎曲樣品的兩端幾乎不受影響，并能保持90°角。同時，進行三點彎曲試驗時，也表明存在局部塑性變形。

使用人體體溫發電時，當體溫與環境溫度相差 15 攝氏度左右，可實現微瓦——毫瓦量級的發電量，且發電效果隨著溫差的增大而提高。特別是當人體運動時消耗生物化學能產生熱量，或是在北方地區室外年平均溫度低于 20 攝氏度的時候，只要有溫差存在就可以發電，無論是體溫高于環境溫度，還是環境溫度高于體溫。

這種塑性熱電材料可用于開發柔性熱電器件，在人體體溫發電與體溫控制等應用場景中具有廣闊的前景。例如，利用該材料制成的薄膜電池，即“柔性、可裁剪碲化鉍/纖維素復合熱電薄膜電池”，將高性能碲化鉍熱電材料與低成本纖維素紙進行網絡結構復合，不僅具有優異的變形能力，能夠充分貼合復雜曲率變化的人體體表，還能維持與周圍環境的溫差，從而提升熱能轉換效率，可應用于新一代低功耗微系統供電技術。

(二)塑性熱電材料的突破之旅

關鍵材料的發現：歷經無數次的精心篩選和嚴格測試，如同在浩如煙海的材料世界中探尋稀世珍寶，終于成功發現了具有卓越性能的新型塑性熱電材料。這種材料獨特的晶體結構和電子能帶分布為實現高效的熱電轉換奠定了堅實的物質基礎。

性能的顯著提升：在材料的熱電轉換效率、穩定性、可加工性等關鍵性能指標方面實現了突破性的飛躍，一舉打破了以往的研究記錄。顯著提高的熱電轉換效率，使得從工業廢熱和環境熱能中回收更多的電能成為現實；大幅增強的穩定性，確保了材料在長期復雜的工作環境下依然能保持可靠的性能；顯著改善的可加工性，則為其在大規模工業化生產和實際應用中的廣泛推廣提供了有力保障。

理論與實踐的完美結合：不僅在基礎理論研究方面取得了具有開創性的重要成果，還成功地將前沿的科研成果轉化為實際應用。通過與相關企業的緊密合作，共同開發出一系列高性能的熱電轉換器件和系統，為推動我國能源領域的技術創新和產業升級提供了強有力的技術支撐。

未來展望

哈爾濱工業大學（深圳）張倩教授、毛俊教授團隊的這一研究成果，為柔性電子、可穿戴設備以及生物醫學傳感器等領域的發展提供了新的可能。隨著對鉍化鎂單晶材料性能的深入研究和優化，我們有望看到更多基于該材料的創新應用。

然而，科學的探索永無止境。未來，研究人員還將繼續努力，進一步提高材料的熱電轉換效率，拓展其在更多領域的應用。同時，也需要解決實際應用中可能面臨的諸多問題，如器件的穩定性、耐久性以及與現有技術的兼容性等。但毫無疑問，這一突破為未來的科技發展打開了一扇充滿無限可能的大門，讓我們對未來的科技生活充滿了期待。

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來源：賢集網
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