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  1998 年,日本著名制表公司精工(SEIKO)曾发布过一款由体温供电的石英表 Seiko Thermic,做出了将热电技术应用于手表的一次较早尝试——不过在一颗普通纽扣电池就能支持石英表 1-3 年续航的年代,这款产品即便令人眼前一亮,最终也并未获得商业成功。沙巴体育

  后来在 2016 年,硅谷初创公司 Matrix Industries 针对智能手表的续航问题,在众筹网站 Indiegogo 上发布了世界上第一款纯热电驱动的智能手表 Powerwatch,引发不少关注。

  在两种金属构成的回路中,如果金属结点处温度不同,处在较温暖区域的电子受热移动至较冷的区域,该回路就会产生一个电势差(电压),在连接它们的导线上产生电流。

  由于电流较弱,热电技术通常只能为能量需求不大的设备供电,而可穿戴设备基本部件的功耗一般在 100nW(纳瓦)到 10mW(毫瓦)之间(如下图所示),基于此,将这项技术应用于可穿戴设备和植入装置将是绝佳的选择。

  在研究人员看来,「热电发电机」(Thermoelectric generators,以下简称 TEG)为可穿戴电子设备供能在未来将是一项很有前景的应用。

  TEG 将是传统电池的一个很好的替代,原因在于其独特的特性,比如无工作流体、无运动部件、操作过程安静、可靠、便携等等。

  但值得关注的是,传统的刚性 TEG 难以兼容可穿戴产品,因此研究人员的目标便是设计一种柔性 TEG(flexible TEG,即 FTEG)。

  材料方面,研究人员设计的 FTEG 包括 p 型碲化锑(Sb2Te3)和 n 型铋化镁(Mg3Bi2),以及多孔聚氨酯(PU)基体和柔性印刷电路板(FPCB)电极。

  市面上的 TEG 在很大程度上依赖于稀有金属碲,而新设计用镁基材料部分取代了碲基材料,这可以降低大规模生产的成本。

  下图展示的是材料的电阻率(ρ)、塞贝克系数(S,即半导体材料的温差电动热)、功率因数(PF )、热导率(κ)和 ZT(品质因数)值。

  最终数据表明,这款 FTEG 设备具有较低的热旁路和高效的热接触面,在环境温度为 16 摄氏度(气流速度 1.1 m/s)时将设备放在手臂上,峰值功率密度约为 20.6 μW/cm2;在温差 -223.15 摄氏度时,峰值功率密度为 13.8 mW/cm2。

  不仅如此,该设备在 13.4 mm 的弯曲半径下承受 10000 次弯曲循环后无显著变化(小于 1.4%)。

  研究人员将尺寸为 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 设备放置在手臂上,成功点亮了 LED(发光二极管)灯——这表明该 FTEG 设备具有为可穿戴设备提供实时电源的潜力。

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