米乐(中国)官方网站 开发出一种有机热电元件，可以在100摄氏度以下的温度下为锂离子二次电池充电

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）纳米材料研究部粘合界面研究组、首席研究员向田正和和首席研究员守圭史是世界上第一个这样做的。锂离子二次电池8442_8454有机热电元件通过将有机热电材料压缩成薄膜，我们可以改变晶体间距。内部电阻(以下称为“电阻”)减小。此外，除了利用其特性通过多层薄膜来提高电压外，升压电路，我们已经实现了作为锂离子二次电池充电器的足够性能。通过在充电器中使用所开发的有机热电元件，可以按原样使用现有的电子设备，而无需改变主体设计或部件配置。此外，该元件可以集成到设备的电源部分，无需在炎热的地方充电或更换电池，从而使用于远程通信的电子设备能够长时间稳定运行。

目前，锂离子二次电池用于为许多无线电子设备供电。尽管二次电池被广泛使用，但定期充电或更换还是必不可少的。然而，安装在电动汽车内部或工厂等高处的传感器设备的电池通常很难更换。另一方面，热电元件可以直接从设备周围的热源发电，是不需要从电源插座接线的电源的有希望的候选者。然而，为了使用热电元件作为新的电源，传感器装置本身的设计和部件构成必须进行更新。对此，我们还需要重建我们的产品生产线。

如果热电元件可以用作锂离子二次电池的充电器，则可以使用现有设备，而无需改造生产线。

此外，采用当前从电源插座充电的方法，根据设备的不同，需要将电压从电源电压（100V）降低到几V，多余的能量作为热量被浪费。另一方面，使用热电元件的充电方法可以用过去不会使用的热量进行充电，从而可以更有效地利用能源。

我们是有机热电材料之一PEDOT/PSS作为主要材料，我们开发了用于无线通信电源的有机热电元件。对于热电元件来说，电流越容易从材料的一端流向另一端，热量越难流动，性能就越高。通过模拟计算，我们改进了设计，在保持尽可能低的电阻的同时增加热阻，并实现大温差。到目前为止，我们通过将一个热电元件置于 100 °C 热源中并自然冷却另一个热电元件，实现了 40 µW/cm²的功率密度（120°C 时为 60 µW/cm²)。我们已经证明该设备可以用作各种传感器和蓝牙无线通信的工作电源（2020 年 1 月 21 日 AIST 新闻稿）。

这次，我们开发了一种热电元件，可以为锂离子二次电池充电，作为一种使用电子设备的方式，无需修改电子设备，无需电源插座供电。给锂离子二次电池充电需要几伏的电压。迄今为止开发的有机热电元件的输出电压在几至几十mV的量级，这不足以应用于锂离子二次电池的充电。因此，我们使用升压电路来提高输出电压，并验证其是否可以有效地充当充电器。

当来自有机热电元件的输入电压较大且元件的电阻较小时，升压电路工作效率更高。迄今为止开发的功率密度：40 µW/cm²时为了运行升压电路对锂离子二次电池进行充电，至少需要串联堆叠 750 个 PEDOT/PSS 片才能获得所需的电压。此时的总重量将超过30克。此外，随着串联数量的增加，电流流过的距离变长，电阻增加到约500Ω，因此输出不会增加。

因此，我们从功率密度的角度优化了PEDOT/PSS膜厚（膜厚20 µm），发现通过堆叠和压接这些薄膜，可以显着降低热电元件的电阻，实现高电压和低电阻。通过使用新开发的元件，我们成功地获得了能够使用升压电路对锂离子二次电池进行充电的输出。

我们的目标是开发一种可以为市售锂离子二次电池（额定电压：24 V）充电的有机热电元件。为了获得 24V 的电压，我使用了升压电路。通过提高输入侧的有机热电元件的输出密度，可以使升压电路高效地工作。此外，为了提高热电元件的输出密度，同时实现高电压和低电阻也很重要。此外，为了利用有机材料的轻质性，我们的目标是保持元件较小。例如，我们身边常见的纽扣电池的重量不到6克。我们接受了创造一种重量更轻的可充电设备的挑战。

传统有机热电元件（输出密度40 µW/cm²，100层，重量5g，长22mm×宽22mm×宽5mm)，为了优先考虑成膜时的均匀性，将每片的PEDOT/PSS膜厚设定为50μm。输出电压由层数（串联层数）决定，因此如果通过减小每层厚度来增加层数，则应该能够在相同尺寸（层宽）的情况下提高电压。然而，使其变薄会缩小电流路径，从而增加每片的电阻。此外，增加层压层数会增加电流流过的距离，从而增加整个元件的电阻。因此，计算电压和电阻随膜厚的变化时，膜厚为20μm时输出密度最大，宽度为5mm时的输出密度为46μW/cm²50 µm 膜厚时为 40 µW/cm²提高了 15%

20 µm 厚的 PEDOT/PSS 器件铸造方法制成的PEDOT/PSS薄膜制成的。并将它们压在一起。该功率密度为72 µW/cm，远高于上述预期，对于升压电路的运行来说绰绰有余。²该值为 40 µW/cm（薄膜厚度为 50 µm）²相比提高了 80%检查电性能的结果是，我们发现膜的电阻比预期的要小。当使用X射线衍射测量分析通过压缩而减薄的膜的晶体结构时，证实PEDOT/PSS的晶体间距变窄。 PEDOT/PSS由导电部分（PEDOT）和绝缘部分（PSS）组成，我们认为压缩会缩小晶体间距，使导电部分靠得更近，使电流更容易通过。

图1显示了新开发的有机热电元件的照片和结构图。该元件（共计200片层叠片，长22mm×宽22mm×宽6mm）通过4个50片串联并联连接，电阻为11Ω。重量为5克。

图2示出了使用图1所示的有机热电元件和升压电路对市售锂离子二次电池进行充电测试的结果。高温侧温度（热源温度）设定为100℃^※充电开始后，电池输出电压迅速上升，3小时内达到额定电压24V。此后，电压随着时间的推移几乎保持恒定，表明正在充电。 36小时后，电压又开始上升，表明充电完成。连续使用测试进行了三个月，在定期观察期间输出值保持不变，证实了这种有机热电元件的充电性能没有恶化。新开发的有机热电元件中使用的升压电路在60°C或更高的高端温度下工作。温度越低，热电元件的输出电压越低，升压电路的效率也越低。根据理论计算，对于80℃的热源，预计充电时间为60小时，输出电压约为50mV；对于60℃的热源，预计充电时间为100小时，输出电压约为30mV。

这种热电元件可用作可充电电池充电器，也可用作传感器和无线通信的电源。可能的热源包括汽车和工厂的管道、烹饪机和热水器、夏季农业温室和太阳能电池板的表面以及冬季的供暖设备。另外，由于所需要的只是温度差，因此不仅在炎热的地方而且在寒冷的地方都可以利用建筑物内部和外部之间的温度差。

通过进一步研究PEDOT/PSS的晶体结构和导电之间的关系，我们将进一步推进薄膜和堆叠技术，以缩短有机热电元件的充电完成时间。我们将进一步减轻重量，目标是开发一种有机热电元件，可以为大容量市售硬币型电池充电或取代所有市售硬币型电池。

锂离子二次电池

一种从锂离子的运动中获取能量并可以充电（和放电）的电池。也称为锂电池、LiB等。不能充电的电池称为原电池。[返回来源]

有机热电元件

将热能直接转换为电能的现象称为热电转换，能够进行热电转换的材料称为热电材料。你所需要的只是一个热源，而且是一个不排放二氧化碳的电源。由有机材料制成的东西称为有机热电材料，使用有机热电材料组装起来实际发电的东西称为有机热电元件。[返回来源]

内部电阻

穿过材料的电流的电阻。在新开发的产品中，电流沿着膜表面的方向流动，因此膜越薄，电流的路径就越窄，这通常会增加电阻。内部电阻越小，可以获得的功率越大。[返回来源]

升压电路

输出大电压，低功耗使用的是单个小型IC芯片（集成电路）。有时也称为 DC/DC 转换器或电荷泵。输入电压越高，输入侧的电阻越低，可以更有效地在短时间内升高电压并输出。[返回来源]

PEDOT/PSS

一种可用作热电材料的导电聚合物。正式名称是聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)。具有导电性PEDOT部与绝缘性PSS基材连接的结构。[返回来源]

功率密度

可以通过增加发电机的尺寸来增加功率输出。对于热电元件来说，如果与热源的接触面积大，可以获得更多的热量，从而可以提高输出功率。因此，在比较材料性能时，我们比较的是在相同面积下能获得多少产量。这称为功率密度。输出密度越高，性能越高，这是一个重要指标，尤其是在小型化时。[返回来源]

铸造方法

由于原料是水溶液，因此通过将原料放入模具中并蒸发水来形成薄膜。这种方法称为铸造法。[返回来源]