利用体表近体温的超薄离子热电单元设计，为自供能可穿戴电子设备提供动力

从温和的体温中供电

我们身体和日常环境释放的大部分热量都被浪费掉，尽管它代表着一个巨大且持续的能量来源。本研究展示了一种非常薄且柔软的贴片放在皮肤上如何安静地将几度的体温差转化为电能，足以驱动诸如智能手表之类的设备而无需连接充电器。

为什么低温热量很重要

低于水沸点的热量构成了世界上超过一半的能量损失来源，从工厂废气到温热的皮肤。将这种温和的热量转化为有用的电能，对可穿戴电子尤其有吸引力，因为它们需要轻、软且安全的电源。传统的热电材料通常刚性、高成本，并且在接近体温时效率很差。基于凝胶的新型离子器件看起来很有前景，因为它们在室温下能产生更高的电压，且手感更像柔软的塑料而非硬质陶瓷。

将器件做薄面临的问题

到目前为止，这些基于凝胶的热能收集器面临着一个顽固的权衡。为了良好工作，它们通常依赖于通过厚度方向的温差——一面比另一面更热。当工程师试图把它们做得更薄以便舒适贴肤时，这个温差几乎消失。电压下降，功率变得太小而无法使用，尤其是当热源仅比空气稍微暖和时。与此同时，为了恢复性能而增厚会使其笨重且不适合穿戴。

在薄条中收集热量的新方法

在这项工作中，作者设计了一种仅约毫米厚的凝胶型单元以规避这一折衷。该器件不依赖材料内部的强温差，而是在凝胶的一侧并排放置一对不同电极。一种是多孔碳布，在受热时表现为快速且可逆的电容行为；另一种涂覆有聚合物，更像电池，通过较慢的化学变化存储电荷。当整个条状器件被温热加热时，凝胶中的离子在每个电极处的响应不同。这些协调的反应改变了电势并产生有用的电压，尽管凝胶内部的温度几乎均匀。

离子微观舞动如何存储能量

凝胶中含有可在两种价态间转换的溶解铁离子。当器件升温时，部分离子在类电池电极处发生价态改变，而其他离子则与碳布上的含氧基团相互作用。离子的这种迁移与转化在两侧之间积累了电荷不平衡，类似给一个微小内部电池充电。当器件连接到外部电路时，电子从一个电极流向另一个电极，为所连接的负载提供电流。当器件随后冷却，铁离子和聚合物逐渐恢复到原始状态，准备好下一次加热循环，无需外部再充电。

在真实条件下的性能

尽管超薄，单个电池在仅几度的温差下可产生约十分之一伏的电压，并在被温差加热时提供高达1.6瓦每平方米的功率密度，这与皮肤在室温空气中时的情况相似。两小时运行可储存约1500焦耳每平方米，远高于在类似温度下早期的凝胶设计。通过将20个这样的单元串联成一条柔软可弯曲的条，研究人员获得了近两伏的输出和23瓦每平方米的功率密度。该条可缠绕在手臂上，仅依靠佩戴者的体热即可持续驱动一块商用智能手表甚至一个小型数字仪表。

对未来可穿戴设备的意义

对非专业读者来说，关键信息是现在可以制造非常薄、柔软、贴肤的电源，这些电源可以从普通体温中自我充能。通过重新构思热到电的转换方式，并让离子和电极化学承担主要工作，作者展示了一条通往自供能手表、传感器及其他无需电池或充电器，同时长期佩戴也舒适安全的可穿戴设备的路径。

引用: 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

关键词: 可穿戴能量收集, 体热供能, 离子热电单元, 柔性电子, 凝胶电解质