第一作者：任偉，孫妍，趙東亮
通訊作者：張麗霞，肖建亮，楊榮貴
通訊單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，University of Colorado Boulder，華中科技大學(xué)
doi.org/10.1126/sciadv.abe0586.
熱電發(fā)電器可以直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，具有廣泛的應(yīng)用前景，例如：利用人體體溫給可穿戴電子設(shè)備供電，或者利用工業(yè)廢熱給物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感節(jié)點(diǎn)持續(xù)供能。熱電發(fā)電器的出現(xiàn)幫助電子設(shè)備淘汰低壽命高污染的傳統(tǒng)電池，所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境價(jià)值不可估量。
但是，傳統(tǒng)熱電器件存在以下幾個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：
1、人體以及各種工業(yè)和自然熱源的表面通常為非平面的復(fù)雜形狀，剛性的傳統(tǒng)熱電發(fā)電器很難直接貼合熱源，需要專門(mén)設(shè)計(jì)導(dǎo)熱部分。
2、傳統(tǒng)熱電器件不可修復(fù)，在遇到損傷破壞時(shí)，只能直接報(bào)廢。
3、傳統(tǒng)熱電器件的制造是不可逆的，廢棄后很難回收再利用，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性較差。
4、傳統(tǒng)熱電器件需要根據(jù)特定的熱源、散熱環(huán)境和負(fù)載進(jìn)行專門(mén)的設(shè)計(jì)以及制造，周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性差。
5、熱電器件的開(kāi)路電壓一般較低，在服役時(shí)必須使用DC-DC升壓模塊，造成額外的能量損失，以及附加的體積和重量，不利于穿戴應(yīng)用。
6、熱電器件在戶外陽(yáng)光暴曬環(huán)境下散熱困難，嚴(yán)重影響低溫廢熱回收情況下的器件輸出。
有鑒于此，華中科技大學(xué)楊榮貴教授研究團(tuán)隊(duì)、美國(guó)科羅拉多大學(xué)肖建亮教授研究團(tuán)隊(duì)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)張麗霞教授研究團(tuán)隊(duì)合作，在熱電器件研究領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)成果以“High-performance Wearable Thermoelectric Generator with Self-healing, Recycling and Lego-like Reconfiguring Capabilities”為題，于2月10日在線發(fā)表于Science Advances雜志上，被選為當(dāng)期的首頁(yè)滾動(dòng)推薦文章。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的任偉博士和孫妍博士，以及東南大學(xué)的趙東亮教授為共同第一作者。
1、首次提出具有自愈合能力、可回收再利用以及類樂(lè)高可重構(gòu)能力的高性能熱電發(fā)電器。自愈合能力可以有效提高熱電器件在面對(duì)損傷時(shí)的服役壽命?？苫厥昭h(huán)利用的能力一方面避免大規(guī)模應(yīng)用時(shí)的環(huán)境污染，另一方面也顯著提高器件的經(jīng)濟(jì)性。類樂(lè)高可重構(gòu)的能力使熱電器件可根據(jù)熱源、散熱環(huán)境和負(fù)載的具體情況進(jìn)行快速而靈活的配置。
2、提出一種“軟質(zhì)基板-硬質(zhì)模塊插入式”（SOM-RIP）的新型力學(xué)結(jié)構(gòu)，使熱電器件具備優(yōu)異的柔性和拉伸性。拉伸量達(dá)到120%的情況下，脆性的熱電材料薄膜上應(yīng)變量只有高分子基板的1/1200。
3、95K溫差下開(kāi)路電壓密度可達(dá)1V/cm2,可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。
4、首次在熱電器件冷端引入一種波長(zhǎng)選擇性超材料薄膜，通過(guò)利用空間輻射制冷和反射可見(jiàn)光波段，解決戶外陽(yáng)光直射情況下的穿戴柔性熱電器件的輸出問(wèn)題。
5、“軟質(zhì)基板-硬質(zhì)模塊插入式”（SOM-RIP）結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，硬質(zhì)熱電模塊的制備兼容于現(xiàn)存的規(guī)模化生產(chǎn)方法（例如：各種印刷和打印方法以及卷對(duì)卷PVD方法）。
總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究為下一代高性能、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性、靈活可定制的、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的柔性能源轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)提供了一種通用設(shè)計(jì)思路。
圖1 “軟質(zhì)基板-硬質(zhì)模塊插入式”（SOM-RIP）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和裝配
要點(diǎn)：模塊化的熱電片（Thermoelectric chips）插入到新型動(dòng)態(tài)共價(jià)聚合物（Polyimine）基板上，通過(guò)液態(tài)金屬導(dǎo)線進(jìn)行模塊間的電連接。
圖2 熱電器件的基本輸出性能。
(A,B)不同溫差下的單位面積輸出功率。
(C)不同溫差下的單位面積開(kāi)路電壓。
(D)熱端固定100℃，持續(xù)工作100小時(shí)下的耐久性測(cè)試。
(E)綜合性能比較。
要點(diǎn)：1、95K溫差下開(kāi)路電壓密度可達(dá)1V/cm2。熱端100℃下可以穩(wěn)定持續(xù)工作100小時(shí)。證明了在低溫廢熱（<100℃）回收應(yīng)用下的優(yōu)異的輸出性能和可靠性。2、在開(kāi)路電壓、輸出功率、柔性、拉伸性、自愈合和可循環(huán)等指標(biāo)下具有顯著的綜合優(yōu)勢(shì)。
圖3 器件在穿戴下的輸出以及力學(xué)性質(zhì)。
(A,B)穿戴下的輸出測(cè)試。
(C,D)半徑3.5mm下彎曲以及拉伸120%下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)分布模擬。
(E)彎曲疲勞測(cè)試。
(F)拉伸性測(cè)試。
要點(diǎn)：1、在行走情況下，典型的運(yùn)動(dòng)腕帶大小的熱電器件可提供5V的開(kāi)路電壓和12.5 μW的輸出功率，足夠直接驅(qū)動(dòng)大部分低功率無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。2、器件在極端變形下，作為功能性部位的熱電材料上的應(yīng)變量極低。因此在承受超過(guò)1000次3.5mm小半徑彎曲疲勞試驗(yàn)以及120%拉伸變形后，輸出性能不發(fā)生任何衰減。
圖4 (A,B,C)自愈合、(D,E)可循環(huán)和(F,G)類樂(lè)高可重構(gòu)的熱電器件
要點(diǎn)：1、使用基于動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)設(shè)計(jì)的新型高分子聚合物（Polyimine）作為器件的基板和封裝材料。2、基板上切割破損部位在室溫下1.5小時(shí)內(nèi)完全愈合，器件拉伸性能與破損前一致。3、通過(guò)特制的溶劑可以完全回收器件的所有部分，重制的新器件與舊器件輸出性能一致。4、通過(guò)簡(jiǎn)單的切割和拼接過(guò)程，可以靈活地重新配置熱電器件，串聯(lián)配置的新器件輸出性能與舊器件輸出總和一致。
圖5 波長(zhǎng)選擇性超材料薄膜對(duì)戶外性能的提升。
(A)戶外日間和夜間情況下，熱電器件冷端熱傳輸示意圖。
(B)裸露表面和超材料薄膜的光譜吸收/發(fā)射系數(shù)。
(C)戶外測(cè)試下陽(yáng)光輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和溫度。
(D,E,F)戶外測(cè)試下表面熱交換量、單位面積輸出電壓和輸出功率。
要點(diǎn)：波長(zhǎng)選擇性超材料薄膜可以有效反射可見(jiàn)光，并且同時(shí)利用大氣透明窗口（8-13μm波段）實(shí)現(xiàn)空間輻射制冷，從而顯著提升戶外日間陽(yáng)光直射條件下熱電器件的輸出。
原文鏈接：
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
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：材料人