作者:邰凱平(中國科學(xué)院金屬研究所) 今天,又到了“地球一小時”活動時間,不少人希望用關(guān)燈60分鐘的方式喚起大家對環(huán)保和能源問題的重視。不過,說到解決能源問題,僅僅熄燈怎么夠???。?/p> 我們用的電是從哪來的?水電站、火電廠、風(fēng)電站、核電站…… 如果我告訴你,只需要通過一塊薄膜,體溫也能發(fā)電呢? 這怎么可能?!這和“用愛發(fā)電”有區(qū)別嗎? 中科院金屬研究所研發(fā)的高性能柔性熱電材料就能做到!
發(fā)電、制冷、控溫,熱電材料全能干! 熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運動實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料,它的應(yīng)用很神奇: 1. 如果同時在兩端接觸不同溫度,則會在內(nèi)部回路形成電流,溫差越大,產(chǎn)生的電流越強; 2. 如果通入電流之后,會產(chǎn)生冷熱兩端,可以用來冷卻也可以用來控溫。
圖 熱電材料發(fā)電(a)和制冷(b)原理示意圖 熱電材料的應(yīng)用不需要使用傳動部件,工作時無噪音、無排棄物,對環(huán)境沒有污染,并且性能可靠,使用壽命長,是一種具有廣泛應(yīng)用前景的環(huán)保材料。以熱電材料為核心的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)可不依靠任何外力將“熱”與“電”兩種不同形態(tài)的能量直接轉(zhuǎn)換,目前備受科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。 特別是近年來可穿戴式、植入式為代表的新一代智能微納電子系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,迫切需要開發(fā)微瓦-毫瓦級自供電技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)充電電池,以滿足其向微型化、高密度化、高穩(wěn)定性和可靠性發(fā)展的技術(shù)需求。熱電材料因此成為便攜式智能電子器件自供電技術(shù)的有效解決方案。 兩大技術(shù)難題 熱電材料前景廣闊,但是我們在日常生活中卻很少見到,主要是受到兩大技術(shù)難點的制約: 1. 與其他種類的換能形式相比,熱電技術(shù)的換能效率不高,只有約10%,嚴重制約著熱電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。熱電材料的性能可由熱電優(yōu)值(zT)來衡量,但由于本征物理屬性的限制,決定熱電優(yōu)值的各個參數(shù)相互關(guān)聯(lián)制約,使得熱電材料的優(yōu)值系數(shù)難以大幅度提高。 2. 熱源與熱電材料之間接觸不良所導(dǎo)致的熱能損失也成為制約現(xiàn)有熱電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。為保持溫差,充分利用熱能發(fā)電,需要熱電材料/器件與熱源表面緊密貼合。然而,在實際應(yīng)用中無論是人體體表還是熱源管道,都具有復(fù)雜曲率變化的幾何表面。傳統(tǒng)無機熱電材料,由于其本征脆性,不能滿足緊密貼合曲率變化熱源表面的要求,使得熱源與熱電材料/器件之間的熱能損失處于較高范圍。
柔性熱電材料牛在何處 不足一指寬、0.1毫米厚的單片灰色軟質(zhì)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,這就是中科院金屬研究所研發(fā)的高性能柔性熱電材料。它一次解決了上述兩個技術(shù)難題! 圖 復(fù)合柔性熱電材料原位彎曲電學(xué)性能測試及利用人體體溫與環(huán)境溫差形成的熱電壓 金屬所邰凱平研究團隊首次采用非平衡磁控濺射技術(shù),以纖維素紙為基體,制備出具有微米至納米多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的碲化鉍(Bi2Te3)復(fù)合熱電薄膜材料,如下圖所示。 這種材料的非凡之處在于: 該復(fù)合材料碲化鉍薄膜沉積厚度可達數(shù)十微米,碲化鉍薄膜與纖維素界面結(jié)合緊密,能有效降低薄膜器件的內(nèi)阻,提高材料有效輸出功率; 三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、微米-納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)和Bi2Te3薄膜厚度等賦予該復(fù)合材料良好的柔性; 多尺度孔隙結(jié)構(gòu)有效降低該復(fù)合材料熱導(dǎo)率值,使其接近于碲化鉍理論最低值,提高熱電性能; 碲化鉍薄膜表面存在本征的氧化層,可散射過濾低能載流子,明顯提高熱電系數(shù),輸出電壓。 因此,纖維素/碲化鉍復(fù)合材料室溫至473K的熱電性能zT值可達0.24~0.38,并有望通過載流子濃度優(yōu)化而進一步提升。 利用上述新材料制成的薄膜電池,即“柔性、可裁剪碲化鉍/纖維素復(fù)合熱電薄膜電池”,首次將高性能碲化鉍熱電材料與低成本纖維素紙進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合,同時具有優(yōu)異的變形能力,能夠充分貼合復(fù)雜曲率變化的人體體表,并維持與周圍環(huán)境的溫差,從而提升熱能轉(zhuǎn)換效率,可應(yīng)用于新一代低功耗微系統(tǒng)供電技術(shù)。 研究人員表示,這種高性能柔性熱電材料最薄僅為數(shù)十微米。通過材料制成的薄膜電池可以回收利用日常生活中隨處可見的廢熱發(fā)電,比如利用照明燈燈罩散發(fā)的熱量或人體體溫。 圖 柔性熱電“發(fā)電機”器件結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖及回收廢熱發(fā)電演示驗證
這么牛的材料 不久就能用上啦 高性能柔性熱電材料能夠利用人體體溫發(fā)電,體溫與環(huán)境溫度相差15攝氏度左右時可實現(xiàn)微瓦-毫瓦量級發(fā)電量,發(fā)電效果隨著溫差的增大而提高,特別是當(dāng)人體運動時消耗生物化學(xué)能產(chǎn)生熱量或是北方地區(qū)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(fā)電,體溫高于環(huán)境溫度或是環(huán)境溫度高于體溫都可以。 研究團隊預(yù)計:未來5年,這種新材料就可以實現(xiàn)商業(yè)化,為藍牙耳機、健康監(jiān)測器、手表、智能手環(huán)等可穿戴電子設(shè)備供電。 而實現(xiàn)溫差制冷也不遠了!團隊已經(jīng)成功研發(fā)出Bi2Te3合金薄膜微型制冷器,厚度約為25 微米,最小面內(nèi)尺寸約200×200 微米,微區(qū)制冷通量可達~40 W/cm2。該器件在微系統(tǒng)熱管理領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景,如CPU芯片定點散熱、微型激光二極管控溫等。 圖 熱電薄膜微型制冷器光學(xué)照片和輪廓儀分析(a)-(c),三維結(jié)構(gòu)示意圖(d)
人類離不開能源,但也需要優(yōu)良的環(huán)境,如何解決兩者之間的矛盾?可再生能源是關(guān)鍵!隨著熱電材料的不斷進步,除了常見的水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源,生活中常見的熱能也是我們?nèi)≈槐M用之不竭的選擇! 參考文獻: [1]Scripta Materialia, 119,33-37,2016 [2]Acs Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.7b16356 |
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