Science Advances：新型柔性热电器件：可自愈合、可回收和类乐高可重构

第一作者：任伟，孙妍，赵东亮

通讯作者：张丽霞，肖建亮，杨荣贵

通讯单位：哈尔滨工业大学，University of Colorado Boulder，华中科技大学

doi.org/10.1126/sciadv.abe0586.

研究背景

热电发电器可以直接将热能转换为电能，具有广泛的应用前景，例如：利用人体体温给可穿戴电子设备供电，或者利用工业废热给物联网（IoT）传感节点持续供能。热电发电器的出现帮助电子设备淘汰低寿命高污染的传统电池，所创造的经济效益和环境价值不可估量。

但是，传统热电器件存在以下几个关键的问题：

1、人体以及各种工业和自然热源的表面通常为非平面的复杂形状，刚性的传统热电发电器很难直接贴合热源，需要专门设计导热部分。

2、传统热电器件不可修复，在遇到损伤破坏时，只能直接报废。

3、传统热电器件的制造是不可逆的，废弃后很难回收再利用，环保和经济性较差。

4、传统热电器件需要根据特定的热源、散热环境和负载进行专门的设计以及制造，周期长，经济性差。

5、热电器件的开路电压一般较低，在服役时必须使用DC-DC升压模块，造成额外的能量损失，以及附加的体积和重量，不利于穿戴应用。

6、热电器件在户外阳光暴晒环境下散热困难，严重影响低温废热回收情况下的器件输出。

有鉴于此，华中科技大学杨荣贵教授研究团队、美国科罗拉多大学肖建亮教授研究团队、哈尔滨工业大学张丽霞教授研究团队合作，在热电器件研究领域取得重要突破。相关成果以“High-performance Wearable Thermoelectric Generator with Self-healing, Recycling and Lego-like Reconfiguring Capabilities”为题，于2月10日在线发表于Science Advances杂志上，被选为当期的首页滚动推荐文章。哈尔滨工业大学的任伟博士和孙妍博士，以及东南大学的赵东亮教授为共同第一作者。

本文要点

1、首次提出具有自愈合能力、可回收再利用以及类乐高可重构能力的高性能热电发电器。自愈合能力可以有效提高热电器件在面对损伤时的服役寿命。可回收循环利用的能力一方面避免大规模应用时的环境污染，另一方面也显著提高器件的经济性。类乐高可重构的能力使热电器件可根据热源、散热环境和负载的具体情况进行快速而灵活的配置。

2、提出一种“软质基板-硬质模块插入式”（SOM-RIP）的新型力学结构，使热电器件具备优异的柔性和拉伸性。拉伸量达到120%的情况下，脆性的热电材料薄膜上应变量只有高分子基板的1/1200。

3、95K温差下开路电压密度可达1V/cm²,可以直接驱动负载运行。

4、首次在热电器件冷端引入一种波长选择性超材料薄膜，通过利用空间辐射制冷和反射可见光波段，解决户外阳光直射情况下的穿戴柔性热电器件的输出问题。

5、“软质基板-硬质模块插入式”（SOM-RIP）结构制造简单，硬质热电模块的制备兼容于现存的规模化生产方法（例如：各种印刷和打印方法以及卷对卷PVD方法）。

总的来说，这项研究为下一代高性能、高可靠性、高环境适应性、灵活可定制的、经济环保的柔性能源转换器件设计提供了一种通用设计思路。

图文解析

图1 “软质基板-硬质模块插入式”（SOM-RIP）结构的设计和装配

要点：模块化的热电片（Thermoelectric chips）插入到新型动态共价聚合物（Polyimine）基板上，通过液态金属导线进行模块间的电连接。

图2 热电器件的基本输出性能。(A,B)不同温差下的单位面积输出功率，(C)不同温差下的单位面积开路电压，(D)热端固定100℃，持续工作100小时下的耐久性测试。(E)综合性能比较。

要点：1、95K温差下开路电压密度可达1V/cm²。热端100℃下可以稳定持续工作100小时。证明了在低温废热（<100℃）回收应用下的优异的输出性能和可靠性。2、在开路电压、输出功率、柔性、拉伸性、自愈合和可循环等指标下具有显著的综合优势。

图3 器件在穿戴下的输出以及力学性质。(A,B)穿戴下的输出测试。(C,D)半径3.5mm下弯曲以及拉伸120%下结构的应变场分布模拟。(E)弯曲疲劳测试。(F)拉伸性测试。

要点：1、在行走情况下，典型的运动腕带大小的热电器件可提供5V的开路电压和12.5 μW的输出功率，足够直接驱动大部分低功率无线传感器节点。2、器件在极端变形下，作为功能性部位的热电材料上的应变量极低。因此在承受超过1000次3.5mm小半径弯曲疲劳试验以及120%拉伸变形后，输出性能不发生任何衰减。

图4 (A,B,C)自愈合、(D,E)可循环和(F,G)类乐高可重构的热电器件

要点：1、使用基于动态共价化学设计的新型高分子聚合物（Polyimine）作为器件的基板和封装材料。2、基板上切割破损部位在室温下1.5小时内完全愈合，器件拉伸性能与破损前一致。3、通过特制的溶剂可以完全回收器件的所有部分，重制的新器件与旧器件输出性能一致。4、通过简单的切割和拼接过程，可以灵活地重新配置热电器件，串联配置的新器件输出性能与旧器件输出总和一致。

图5 波长选择性超材料薄膜对户外性能的提升。(A)户外日间和夜间情况下，热电器件冷端热传输示意图。(B)裸露表面和超材料薄膜的光谱吸收/发射系数。(C)户外测试下阳光辐射强度、风速和温度。(D,E,F)户外测试下表面热交换量、单位面积输出电压和输出功率。

要点：波长选择性超材料薄膜可以有效反射可见光，并且同时利用大气透明窗口（8-13μm波段）实现空间辐射制冷，从而显著提升户外日间阳光直射条件下热电器件的输出。

原文链接

Ren et al. High-performance wearable thermoelectric generator with self-healing, recycling, and Lego-like reconfiguring capabilities. Science Advances. 7, eabe0586 (2021). doi.org/10.1126/sciadv.abe0586.

https://advances.sciencemag.org/content/advances/7/7/eabe0586.full.pdf

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