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体温变电能，中国科学家研制出体温发电新材料，仅有0.1 毫米厚

文章来源：贤集网更新时间：2024-07-29 09:27:04

想象一下，我们的体温能够转化为电能，为生活带来无尽的便利。这曾经是一个遥不可及的梦想，但中国科学家们让它逐渐走向了现实。

神奇的人体体温发电材料技术

体温发电，听起来如同科幻小说中的情节，但如今已成为现实。其基本原理是“泽贝克”效应，即两种不同的金属连接起来构成一个闭合回路时，如果两个连接点的温度不一样，就能产生微小的电压。

早在 2007 年，德国弗朗霍夫集成电路研究所的科学家就开始探索这项新技术，他们通过半导体利用温差来获取电能。而在 2016 年，美国北卡罗来纳州立大学研究人员发明的“充电贴”，仅有 2 毫米厚，可以随意折叠，底层是热传导材料能紧紧贴合皮肤，上面覆盖着防止热量散失的聚合体材料薄膜，这样的结构可以“强迫”热量穿过其中的温差发生器，从而将热量转化为电能。

我国在体温发电技术上的突破

我国的科研团队在这一领域也取得了显著进展。2018 年，中科院金属研究所研制出能够利用体温发电的新材料，这种新材料是不足一指宽、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。

而张倩教授和毛俊教授团队发现的铋化镁单晶，更是将这一技术推向了新的高度。碲掺杂的铋化镁

（一）可弯折“精灵”——铋化镁单晶

突破常规的柔韧性：铋化镁单晶宛如一位灵动的“精灵”，拥有着超乎想象的可弯折、扭曲特性。传统的单晶材料通常较为脆弱，而铋化镁单晶（Mg?Bi?.???Te?.???）的出现打破了这一常规。

单晶在面内方向的热电功率因子约为 55μW cm?¹ K?²，室温热电优值 ZT 约为 0.65。通过对比不同材料的室温热电性能与材料的最大拉伸应变，可以发现铋化镁单晶兼具优异的塑性与热电性能，优于目前的塑性半导体材料。它能够在不破裂的情况下，轻松地被弯曲和扭转，展现出了极高的柔韧性。

研究团队成功制备出了厘米级高品质铋化镁单晶，这是该突破的关键基石。实验数据表明，铋化镁单晶在面内方向的压缩应变超过75%，拉伸应变更是高达100%，这一数值相较传统热电材料高出了一个数量级。例如，传统的热电材料如 Bi?Te?、PbTe、GeTe 等，其最大压缩应变通常不超过5%，而铋化镁单晶的表现远远优于它们。甚至与部分具有类似晶体结构的金属材料如钛、镁、锆、钴和铪相比，铋化镁单晶也毫不逊。

铋化镁单晶的独特之处不仅在于其高应变数值，更在于它可以在室温下轻松实现弯折、扭曲等多种类型的塑性形变。你可以想象一下，这种单晶就如同柔软的金属丝一般，能够被随意弯曲成各种形状，例如被折叠、扭曲或弯曲成显示“hitsz”的字母，且弯曲样品的两端几乎不受影响，并能保持90°角。同时，进行三点弯曲试验时，也表明存在局部塑性变形。

使用人体体温发电时，当体温与环境温度相差 15 摄氏度左右，可实现微瓦——毫瓦量级的发电量，且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，或是在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，无论是体温高于环境温度，还是环境温度高于体温。

这种塑性热电材料可用于开发柔性热电器件，在人体体温发电与体温控制等应用场景中具有广阔的前景。例如，利用该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”，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，不仅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，还能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。

(二)塑性热电材料的突破之旅

关键材料的发现：历经无数次的精心筛选和严格测试，如同在浩如烟海的材料世界中探寻稀世珍宝，终于成功发现了具有卓越性能的新型塑性热电材料。这种材料独特的晶体结构和电子能带分布为实现高效的热电转换奠定了坚实的物质基础。

性能的显著提升：在材料的热电转换效率、稳定性、可加工性等关键性能指标方面实现了突破性的飞跃，一举打破了以往的研究记录。显著提高的热电转换效率，使得从工业废热和环境热能中回收更多的电能成为现实；大幅增强的稳定性，确保了材料在长期复杂的工作环境下依然能保持可靠的性能；显著改善的可加工性，则为其在大规模工业化生产和实际应用中的广泛推广提供了有力保障。

理论与实践的完美结合：不仅在基础理论研究方面取得了具有开创性的重要成果，还成功地将前沿的科研成果转化为实际应用。通过与相关企业的紧密合作，共同开发出一系列高性能的热电转换器件和系统，为推动我国能源领域的技术创新和产业升级提供了强有力的技术支撑。

未来展望

哈尔滨工业大学（深圳）张倩教授、毛俊教授团队的这一研究成果，为柔性电子、可穿戴设备以及生物医学传感器等领域的发展提供了新的可能。随着对铋化镁单晶材料性能的深入研究和优化，我们有望看到更多基于该材料的创新应用。

然而，科学的探索永无止境。未来，研究人员还将继续努力，进一步提高材料的热电转换效率，拓展其在更多领域的应用。同时，也需要解决实际应用中可能面临的诸多问题，如器件的稳定性、耐久性以及与现有技术的兼容性等。但毫无疑问，这一突破为未来的科技发展打开了一扇充满无限可能的大门，让我们对未来的科技生活充满了期待。

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