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：哈爾濱工業大學，University of Colorado Boulder，華中科技大學
doi.org/10.1126/sciadv.abe0586.
熱電發電器可以直接將熱能轉換為電能，具有廣泛的應用前景，例如：利用人體體溫給可穿戴電子設備供電，或者利用工業廢熱給物聯網（IoT）傳感節點持續供能。熱電發電器的出現幫助電子設備淘汰低壽命高污染的傳統電池，所創造的經濟效益和環境價值不可估量。
但是，傳統熱電器件存在以下幾個關鍵的問題：
1、人體以及各種工業和自然熱源的表面通常為非平面的復雜形狀，剛性的傳統熱電發電器很難直接貼合熱源，需要專門設計導熱部分。
2、傳統熱電器件不可修復，在遇到損傷破壞時，只能直接報廢。
3、傳統熱電器件的制造是不可逆的，廢棄后很難回收再利用，環保和經濟性較差。
4、傳統熱電器件需要根據特定的熱源、散熱環境和負載進行專門的設計以及制造，周期長，經濟性差。
5、熱電器件的開路電壓一般較低，在服役時必須使用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，不利于穿戴應用。
6、熱電器件在戶外陽光暴曬環境下散熱困難，嚴重影響低溫廢熱回收情況下的器件輸出。
有鑒于此，華中科技大學楊榮貴教授研究團隊、美國科羅拉多大學肖建亮教授研究團隊、哈爾濱工業大學張麗霞教授研究團隊合作，在熱電器件研究領域取得重要突破。相關成果以“High-performance Wearable Thermoelectric Generator with Self-healing, Recycling and Lego-like Reconfiguring Capabilities”為題，于2月10日在線發表于Science Advances雜志上，被選為當期的首頁滾動推薦文章。哈爾濱工業大學的任偉博士和孫妍博士，以及東南大學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高可重構能力的高性能熱電發電器。自愈合能力可以有效提高熱電器件在面對損傷時的服役壽命。可回收循環利用的能力一方面避免大規模應用時的環境污染，另一方面也顯著提高器件的經濟性。類樂高可重構的能力使熱電器件可根據熱源、散熱環境和負載的具體情況進行快速而靈活的配置。
2、提出一種“軟質基板-硬質模塊插入式”（SOM-RIP）的新型力學結構，使熱電器件具備優異的柔性和拉伸性。拉伸量達到120%的情況下，脆性的熱電材料薄膜上應變量只有高分子基板的1/1200。
3、95K溫差下開路電壓密度可達1V/cm2,可以直接驅動負載運行。
4、首次在熱電器件冷端引入一種波長選擇性超材料薄膜，通過利用空間輻射制冷和反射可見光波段，解決戶外陽光直射情況下的穿戴柔性熱電器件的輸出問題。
5、“軟質基板-硬質模塊插入式”（SOM-RIP）結構制造簡單，硬質熱電模塊的制備兼容于現存的規模化生產方法（例如：各種印刷和打印方法以及卷對卷PVD方法）。
總的來說，這項研究為下一代高性能、高可靠性、高環境適應性、靈活可定制的、經濟環保的柔性能源轉換器件設計提供了一種通用設計思路。
圖1 “軟質基板-硬質模塊插入式”（SOM-RIP）結構的設計和裝配
要點：模塊化的熱電片（Thermoelectric chips）插入到新型動態共價聚合物（Polyimine）基板上，通過液態金屬導線進行模塊間的電連接。
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路電壓。
(D)熱端固定100℃，持續工作100小時下的耐久性測試。
(E)綜合性能比較。
要點：1、95K溫差下開路電壓密度可達1V/cm2。熱端100℃下可以穩定持續工作100小時。證明了在低溫廢熱（<100℃）回收應用下的優異的輸出性能和可靠性。2、在開路電壓、輸出功率、柔性、拉伸性、自愈合和可循環等指標下具有顯著的綜合優勢。
圖3 器件在穿戴下的輸出以及力學性質。
(A,B)穿戴下的輸出測試。
(C,D)半徑3.5mm下彎曲以及拉伸120%下結構的應變場分布模擬。
(E)彎曲疲勞測試。
(F)拉伸性測試。
要點：1、在行走情況下，典型的運動腕帶大小的熱電器件可提供5V的開路電壓和12.5 μW的輸出功率，足夠直接驅動大部分低功率無線傳感器節點。2、器件在極端變形下，作為功能性部位的熱電材料上的應變量極低。因此在承受超過1000次3.5mm小半徑彎曲疲勞試驗以及120%拉伸變形后，輸出性能不發生任何衰減。
圖4 (A,B,C)自愈合、(D,E)可循環和(F,G)類樂高可重構的熱電器件
要點：1、使用基于動態共價化學設計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小時內完全愈合，器件拉伸性能與破損前一致。3、通過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、通過簡單的切割和拼接過程，可以靈活地重新配置熱電器件，串聯配置的新器件輸出性能與舊器件輸出總和一致。
圖5 波長選擇性超材料薄膜對戶外性能的提升。
(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/發射系數。
(C)戶外測試下陽光輻射強度、風速和溫度。
(D,E,F)戶外測試下表面熱交換量、單位面積輸出電壓和輸出功率。
要點：波長選擇性超材料薄膜可以有效反射可見光，并且同時利用大氣透明窗口（8-13μm波段）實現空間輻射制冷，從而顯著提升戶外日間陽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
文章轉載自微信公眾號：材料人