UNIST開發高效固態熱電池，體溫即可取代AA電池

韓國蔚山科學技術院（UNIST）團隊近期開發出全球首個高效能 n 型固態熱電化學電池（thermogalvanic cell, TG cell），能夠僅靠人體熱量驅動電子裝置，為電池自由的穿戴式裝置與物聯網感測器商轉開啟新契機。研究成果已發表於《Energy & Environmental Science》。

熱電化學電池能將溫差轉換成電能，例如人體約 36℃ 與周遭空氣 20–25℃ 之間的差異。但由於溫差有限，傳統系統難以輸出足夠電力，無法支援實際應用。UNIST 團隊突破關鍵瓶頸，設計出可在固態環境中維持高離子遷移率的電解質，大幅提升電流輸出與電壓。

核心材料為導電高分子 PEDOT:PSS 與 Fe(ClO₄)₂/₃ 氧化還原對。聚合物中帶負電的磺酸根（–SO₃⁻）能與 Fe²⁺/Fe³⁺ 穩定結合，提供結構支撐，而 ClO₄⁻ 離子則自由移動，強化熱擴散效應並提升發電效能。該電池展現 –40.05 mV/K 的 Seebeck 係數，比傳統 n 型元件高出約五倍，並在 50 次充放電循環後仍維持穩定表現。
熱擴散效應協同作用，有效提升固態熱電化學輸出

圖示解釋了固態「熱擴散輔助熱電化學電池」（TD-assisted TG cell）的運作原理與熱電效能：
(a) 展示整體結構，使用導電高分子 PEDOT:PSS 搭配 Fe(ClO₄)₂/₃ 氧化還原對。Fe²⁺/Fe³⁺ 在電極間進行可逆反應，ClO₄⁻ 離子則沿 PEDOT:PSS 內部的離子導通道進行熱擴散。人體或環境提供的熱流能驅動這些過程並產生電流。
(b) 電化學電位差（E(T)）來自 Fe²⁺/Fe³⁺ 的氧化還原反應，形成熱電化學效應。
(c) ClO₄⁻ 的熱擴散同時產生額外電動勢 (V(T))，與 (b) 的作用疊加，進一步提升輸出電壓。
(d) 圖表解析了 Fe²⁺/Fe³⁺ 的溫度係數與 TG 效應、熱擴散效應對總 Seebeck 係數 (Si) 的貢獻。最終，Si 達到 –40.05 mV/K，遠高於傳統系統。圖／《Energy & Environmental Science》

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(e) 顯示隨 Fe(ClO₄)₂/₃ 濃度增加，PEDOT:PSS 薄膜的 Seebeck 係數逐漸下降並轉為負值，證明可藉濃度調控實現 n 型行為。
研究團隊透過「模組化堆疊」方式將單元串聯：100 顆電池可輸出約 1.5 伏特，等同 AA 電池電壓；16 個模組即可驅動 LED 燈、電子鐘與溫濕度感測器。由於設計完全固態化，不僅避免液態電解質洩漏風險，還兼具安全性與可攜性。

首席研究員張成淵教授指出，這項成果為低溫廢熱能量回收與柔性能源轉換裝置樹立新里程碑。未來，這種自供能方案有望成為穿戴式電子與自主 IoT 裝置的核心電源，僅需依靠人體熱量即可運行，展現可持續能源技術的巨大潛力。