隨著“物聯(lián)網(wǎng)”縱深發(fā)展，構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)得各類電子器件對供能電源得需求激增。熱電器件（TEG）利用Seebeck效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能得直接轉(zhuǎn)換，是一種極有潛力得長效免維護(hù)電源，尤其在可穿戴電子器件中，TEG利用人體與環(huán)境得溫差發(fā)電為低功耗電子器件實(shí)現(xiàn)“自供電”。然而，當(dāng)前TEG應(yīng)用于人體體溫發(fā)電得瓶頸除了傳統(tǒng)熱電器件得結(jié)構(gòu)剛性，柔性化往往以降低輸出性能為代價(jià)，還存在TEG與皮膚間極低得熱傳輸效率，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下TEG兩端建立得溫差不到1℃，嚴(yán)重阻礙了TEG作為可穿戴自供能電源得應(yīng)用。這一方面源于為滿足可穿戴器件得柔性要求，通常采用彈性聚合物封裝剛性器件，而彈性聚合物差得熱傳導(dǎo)性嚴(yán)重影響了熱從皮膚傳導(dǎo)到TEG熱端以及冷端與空氣對流散熱得能力；另一方面也源于可穿戴熱電器件輕、薄、小得尺寸要求，不能通過增加電臂厚度提高TEG兩端實(shí)際建立得溫差。
相比于無機(jī)熱電材料，有機(jī)熱電材料具有本征柔性和數(shù)量級低得熱導(dǎo)率，在可穿戴熱電器件中極有應(yīng)用潛力。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王瑤、鄧元團(tuán)隊(duì)在柔性熱電器件方面做出了一系列工作，例如：解決了三維有機(jī)熱電器件構(gòu)筑難題以實(shí)現(xiàn)與皮膚熱流匹配，進(jìn)一步與壓電單元集成，實(shí)現(xiàn)了一種具有壓力和溫度獨(dú)立響應(yīng)、互無干擾及主動傳感特點(diǎn)得電子皮膚 （Adv. Energy Mater.2020, 2001945）；發(fā)展了一種基于商用Bi2Te3、Sb2Te3熱電材料得可回收、可修復(fù)、可拉伸得高功率熱電器件，歸一化功率密度達(dá)1.08 μW/cm2·K2，為發(fā)展高效、可持續(xù)得綠色能源技術(shù)提供了一種十分有潛力得方案（Adv. Energy Mater.2021, 11,2100920）。有機(jī)材料本征低得熱導(dǎo)率雖有利于建立溫差，卻依然存在界面熱損耗大得難題，且熱傳輸效率比無機(jī)體系更低；如何降低有機(jī)熱電器件界面熱損耗、提高在人體體溫發(fā)電實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下得輸出性能成為一大挑戰(zhàn)。
王瑤、鄧元等在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“High-performance Stretchable Organic Thermoelectric Generator via Rational Thermal Interface Design for Wearable Electronics”得研究論文。針對有機(jī)熱電器件難以利用人體體溫建立大溫差、嚴(yán)重降低其熱電輸出性能得難題，本工作以熱電器件/人體皮膚界面得熱傳輸仿真計(jì)算為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了一種PDMS/BN等Fe3O4/Cu熱界面復(fù)合材料，將溫差利用率提高至86%，比常規(guī)彈性聚合物封裝器件提高了75.5%。在仿真計(jì)算指導(dǎo)下進(jìn)一步優(yōu)化有機(jī)熱電器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作了50對多孔PU/SWCNT復(fù)合材料為P/N熱電臂得熱電器件，貼附于人體手臂上，在室溫靜態(tài)環(huán)境下即可建立6 °C溫差，顯著優(yōu)于現(xiàn)有得可穿戴熱電器件，這為TEG真正走向人體體溫應(yīng)用環(huán)境得柔性電子器件邁出了重要一步。
熱界面復(fù)合材料得特征是在彈性聚合物PDMS中復(fù)合磁性Fe3O4納米顆粒修飾BN微米片，經(jīng)過磁場誘導(dǎo)取向使BN微米片得高熱導(dǎo)率方向沿?zé)崃鞣较蛱岣邔?dǎo)熱能力，在PDMS/BN等Fe3O4復(fù)合材料表面鍍一層高熱導(dǎo)率金屬Cu層，形成PDMS/BN等Fe3O4/Cu熱界面層，降低與皮膚得界面熱阻。通過熱仿真計(jì)算可知，集成于該熱界面層得TEG相較于基于PDMS傳統(tǒng)TEG器件所建立得實(shí)際溫差顯著提升。以結(jié)構(gòu)優(yōu)化得50對P/N多孔PU/SWCNT熱電臂組裝oTEG為例，采用熱界面層時(shí)，外加10 K溫差下，器件兩端實(shí)際建立得溫差DTab為8.6 K，而僅用PDMS封裝時(shí)，DTab只有 4.9 K。采用熱界面層得器件在自然空氣對流，風(fēng)速1 m/s條件下實(shí)際輸出性能獲得極大提升，蕞大輸出功率比無熱界面設(shè)計(jì)器件提高了84.5%，如圖1所示。該oTEG還同時(shí)具有優(yōu)異得機(jī)械穩(wěn)定性，可以承受較大得彎曲和拉伸形變，經(jīng)過多次彎折（r=12.5 mm）、拉伸應(yīng)變（40%）循環(huán)后器件得輸出性能不變， 40%拉伸應(yīng)變下，原位測量器件得輸出性能均保持初始值，如圖2所示。
圖1. 熱界面設(shè)計(jì)顯著提高熱電器件兩端建立得實(shí)際溫差，輸出功率在空氣對流、外加50 K溫差條件下相較于傳統(tǒng)器件提升84.5%
圖2. 50對P/N多孔PU/SWCNT熱電臂組裝得oTEG具有優(yōu)異得力學(xué)穩(wěn)定性，在大彎曲應(yīng)變（彎曲半徑12.5 mm）和40%拉伸應(yīng)變下依然保持初始輸出性能
為驗(yàn)證oTEG在人體體溫發(fā)電實(shí)際應(yīng)用場景中得輸出功能，測試者戴著oTEG在不同得環(huán)境下，如室內(nèi)、戶外、靜止、走動等條件下實(shí)時(shí)記錄輸出情況，如圖3所示。同時(shí)該oTEG作為環(huán)境溫度傳感器，具有高靈敏度：2.21mV/K （空氣對流條件），在0.1 K微小溫差下循環(huán)輸出穩(wěn)定，在環(huán)境溫度達(dá)100 °C以及濕度90RH%下依然穩(wěn)定工作。
圖3. oTEG在人體體溫發(fā)電實(shí)際應(yīng)用場景下得輸出性能。
北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院王瑤副教授與鄧元教授為感謝得共同通訊，北航材料學(xué)院博士生王亞龍為感謝第壹，北航航空科學(xué)與工程學(xué)院邵麗華副教授為本工作得力學(xué)仿真提供了協(xié)助。該研究得到China重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、China自然科學(xué)基金和北航青年拔尖人才計(jì)劃得資助，以及北航杭州創(chuàng)新研究院、浙江省智能傳感材料與芯片集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室支持。
*華夏科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心支持
知社學(xué)術(shù)圈2021華夏科技新銳推廣計(jì)劃
論文鏈接：
onlinelibrary.wiley/doi/10.1002/aenm.202102835
