Ультратонкая ионная термоэлектрическая ячейка, использующая тепло тела для автономных носимых электроприборов

Питание гаджетов за счёт мягкого тепла

Большая часть тепла, которое выделяют наши тела и окружающая среда, теряется, хотя оно представляет собой большой и постоянный источник энергии. В этом исследовании показано, как очень тонкая гибкая полоска, размещённая на коже, может бесшумно превращать несколько градусов телесного тепла в электричество, достаточное для питания устройств вроде умных часов без подключения к зарядному устройству.

Почему важно низкотемпературное тепло

Тепло при температурах ниже точки кипения воды составляет более половины потерянной в мире энергии — от заводских выбросов до тёплой кожи. Превращение этого мягкого тепла в полезную энергию особенно привлекательно для носимой электроники, которой нужны лёгкие, мягкие и безопасные источники питания. Традиционные термоэлектрические материалы жёсткие, дорогие и плохо работают при температуре тела. Новые ионные устройства на основе гелей выглядят многообещающе, поскольку при комнатной температуре они могут давать значительно большие напряжения и ощущаются скорее как мягкие пластики, чем твёрдые керамики.

Проблема при уменьшении толщины устройств

До сих пор эти гелевые преобразователи тепла сталкивались с упорной дилеммой. Чтобы эффективно работать, они обычно опираются на разницу температур через толщину, когда одна сторона теплее другой. При попытке сделать их тоньше, чтобы удобно сидеть на коже, эта разница температур почти исчезает. Напряжение падает, и мощность становится слишком малой, чтобы быть полезной, особенно когда источник тепла лишь немного теплее воздуха. В то же время увеличение толщины для восстановления характеристик делает их громоздкими и менее пригодными для ношения.

Новый способ сбора тепла в тонкой полоске

В этой работе авторы разработали гелевую ячейку толщиной всего около миллиметра, которая избегает этого компромисса. Вместо опоры на сильную разницу температур через материал устройство использует пару различных электродов, расположенных рядом на одной поверхности геля. Один — пористая углеродная ткань, которая при нагреве ведёт себя как быстрый и обратимый конденсатор. Другой покрыт полимером и ведёт себя скорее как батарея, накапливая заряд через более медленные химические изменения. Когда вся полоска слегка нагревается, ионы в геле по‑разному реагируют у каждого электрода. Эти согласованные реакции сдвигают электрические потенциалы и создают полезное напряжение, хотя температура внутри геля почти одинакова.

Как микроскопический танец ионов хранит энергию

Гель содержит растворённые ионы железа, которые могут переключаться между двумя степенями окисления. По мере нагрева часть этих ионов изменяет состояние у электрода, подобного батарее, в то время как другие взаимодействуют с кислородсодержащими группами на углеродной ткани. Это движение и превращение ионов создаёт неравновесие зарядов между двумя сторонами, похоже на зарядку крошечной внутренней батареи. Когда устройство подключают к внешней цепи, электроны текут от одного электрода к другому, подавая ток на подключённую нагрузку. По мере остывания устройства ионы железа и полимер постепенно возвращаются в исходные состояния, готовые к очередному циклу нагрева без необходимости внешней подзарядки.

Работа в реальных условиях

Несмотря на ультратонкую конструкцию, одна ячейка может генерировать около одной десятой вольта и отдавать плотность мощности до 1,6 ватта на квадратный метр при нагреве разницей температур всего в несколько градусов — как кожа в комнатном воздухе. За два часа работы она накапливает примерно 1500 джоулей на квадратный метр, что значительно выше, чем у предыдущих гелевых конструкций при схожих температурах. Соединив 20 таких ячеек последовательно в мягкую гибкую полоску, исследователи получили почти два вольта и плотность мощности 23 ватта на квадратный метр. Эта полоска может обвивать руку и постоянно питать коммерческие умные часы или даже небольшой цифровой прибор, используя только тепло тела носителя.

Что это значит для будущих носимых устройств

Для неспециалиста ключевая мысль такова: теперь возможно создавать очень тонкие, мягкие источники питания, которые размещаются на коже и тихо подзаряжаются от обычного тепла тела. Переосмыслив способ преобразования тепла в электричество и позволив ионам и химии электродов выполнять основную работу, авторы показывают путь к автономным часам, сенсорам и другим носимым устройствам, которые не нуждаются в батареях или зарядных устройствах и при этом остаются комфортными и безопасными для длительного ношения.

Цитирование: Meng, H., Gao, W. & Chen, Y. An ultrathin ionic thermoelectric cell design utilizing near body heat for self-powered wearable electronics. Nat Commun 17, 4684 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71286-2

Ключевые слова: сбор энергии с носимых устройств, питание от тепла тела, ионная термоэлектрическая ячейка, гибкая электроника, гель-электролит