体の熱を利用して発電します！科学者らは、効率的で耐久性があり伸縮可能な新しいタイプの熱伝導発電機を開発

1975年に世界初の計算機付き腕時計が発売されました。

この「オリジナル版」のウェアラブル電子機器は 18K ゴールドで作られており、当時の価格は 3,950 ドル (現在の価値で約 20,000 ドル) でした。価格が高いため、「敬意を示すために先に購入したい」と考えるほとんどの消費者は購入をためらう。

さらに、数字キーが小さすぎるため、正確にクリックするには対応するスタイラスを使用する必要があり、バッテリーは数週間しか使用できません。

図 |世界初の計算機付き腕時計パルサー

それでも、この計算機付き腕時計の登場は、ウェアラブル電子機器産業の始まりを意味しました。

それ以来、新しい技術、新しい材料、新しいプロセスの出現により、スマートブレスレット、仮想現実ヘッドセット、スマートグラスなどのウェアラブル電子機器が「一般の人々の家庭に入り込み」始めました。軽量で履きやすいです。外部情報をより効率的に処理できるだけでなく、人間の活動や健康状態を監視することもできます。

しかし、ウェアラブル電子デバイスやパーソナライズされた生体モニタリング システムに継続的に電力をより良く供給する方法は、現在科学者が直面している大きな課題のままです。

有望な解決策の 1 つは、体温を電気に変換する熱伝導発電機 (TEG) の使用です。

熱伝導発電機はゼーベック発電機とも呼ばれ、熱電効果（ゼーベック効果）を利用して熱（温度差）を電気エネルギーに直接変換する装置です。一般的な変換効率は約5～8%です。

熱伝導発生器の両端に温度差があると電圧が発生し、電圧を印加すると温度差も発生します。したがって、熱電効果は電気を生成したり、温度を測定したり、物体を冷却または加熱したりするために使用できます。

しかし、熱電効果に基づく従来の熱伝導発電機では、非常にかさばるバイメタル接合が使用されていました。

同時に、動作効率を維持するために、TGM は曲面に適合し、熱障壁を最小限に抑える必要があり、大きな変形下でも耐久性を発揮する必要があります。

最近、ワシントン大学の研究チームがこの方向で新たな進歩を遂げました。無機半導体と印刷された多機能ソフト素材で作られた高効率の伸縮性熱伝導発生装置を開発しました。

図 | 3Dプリントされた多機能エラストマー複合材料で作られたウェアラブル熱伝導ジェネレータ（出典：本論文）

この柔軟で着用可能な熱伝導発電機は、体温を電気エネルギーに変換できるだけでなく、柔らかく、伸縮性があり、強度と効率に優れているという特徴も備えていると報告されています。これまでの研究では、これらの特徴を完全に組み合わせることは困難でした。

「高性能伸縮性熱電発電機用液体金属エラストマー複合材料の印刷」と題された関連研究論文が、科学誌「Advanced Energy Materials」に掲載されました。ワシントン大学機械工学修士課程の学生であるYoungshang Han氏が論文の筆頭著者であり、ワシントン大学機械工学助教授のMohammad Malakooti氏が論文の責任著者である。

「周囲の環境で無駄になるはずの熱を捕捉できれば、100%利益になります。このエネルギーを自己発電型電子機器に使用するには、より高い電力密度が必要です。また、積層造形により、伸縮性電子機器の生産効率を向上させ、ウェアラブル機器とシームレスに統合することもできます」とマラクーティ氏は語った。

論文によれば、試作した熱伝導発電機は、30%のひずみで15,000回以上の伸張サイクルを経ても完全な機能を維持できるという。この優れた性能は、3D プリンティングを活用し、TEG デバイス内の各層の材料特性を調整することで実現されます。データによれば、この熱伝導発生器の電力密度は、従来の伸縮性熱伝導発生器の 6.5 倍です。

図｜熱伝導発電機とアルミブロックの発電試験。 （出典：本論文）

熱伝導ジェネレータを作成するために、チームは各層にエンジニアリング機能と構造特性を備えた複合材料を印刷しました。中でも、充填材中の金属合金は高い電気伝導性と熱伝導性を提供します。これらの金属合金は、非伸縮性、低い熱伝達効率、複雑な製造プロセスなど、従来の機器の問題を解決します。

さらに、熱伝導発生装置の重量を軽減し、コア層の半導体に熱を直接伝えるために、研究チームは中空の微小球も組み込みました。

図 |伸縮性熱伝導ジェネレータの設計と準備の概略図。 （出典：本論文）

研究チームは、熱伝導性発電機を衣類やその他の物体、例えば伸縮性のある織物や曲面への印刷に応用することができ、自己発電型ウェアラブル電子機器、熱触覚センサー、ソフトロボット、人間とコンピューターの相互作用への応用の可能性に期待していると述べた。

今後は、装置構造の最適化やより適切な材料の選択などにより、熱伝導発電機の性能向上に努めていきます。

マラクーティ氏は、この研究のユニークな点は、材料の合成からデバイスの製造、特性評価まで、生産プロセス全体をカバーしている点だと述べた。これにより、新しい材料を設計し、創造性を発揮し、生産プロセスのあらゆるステップを設計する自由が得られます。

参考リンク:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202201413

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_generator