突破柔性热电设备局限：自愈合且可模块化组装的创新器件开启可穿戴能源新篇

当前，柔性热电设备（TEDs）在可穿戴电子领域应用受限，存在模块化和可扩展性不足等问题。研究人员开发了自愈合且模块化的柔性 CD - TED。其性能优异，拓展了应用场景，为可穿戴发电和制冷带来新突破。

　　在科技飞速发展的当下，可穿戴电子设备如智能手环、健康监测贴片等越来越普及，人们对其高效、稳定的能源供应需求也日益迫切。热电设备（TEDs）凭借能将热能直接转化为电能的特性，成为可穿戴电子供能的潜力之选。然而，现有的柔性 TEDs 却面临诸多困境。一方面，它们缺乏模块化和可扩展性，难以根据不同的能源采集场景进行定制，也无法便捷地组装以满足特定电器的功率需求。另一方面，常用的封装材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）虽能赋予设备柔性，但会导致热阻增加，降低热电效率。此外，许多柔性 TEDs 不具备自愈合能力，在可穿戴应用中，频繁的机械应力容易使设备损坏，影响使用寿命 。

为了解决这些问题，武汉大学等机构的研究人员开展了一项关于自愈合和模块化柔性热电设备的研究。他们成功开发出一种集成了 Bi₂Te₃基热电（TE）腿、液态金属 EGaIn 互连和二硫键交联聚氨酯（DSPU）封装的自愈合且模块化的柔性 TED（CD - TED）。这项研究成果意义重大，它不仅提升了热电设备的性能，还极大地拓展了其在可穿戴发电和制冷领域的应用场景，为可穿戴能源领域的发展带来了新的曙光。该研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先，通过有限元模拟与实验验证相结合的方式，对热电设备的封装层厚度和填充因子进行优化。其次，采用选择性封装策略，利用碳纳米管掺杂的 DSPU（CD）对液态金属互连进行选择性封装。此外，还对制备的 CD - TED 进行多种性能测试，如热电性能测试、机械稳定性测试、热可靠性测试以及自愈合性能测试等。

研究结果

1. CD - TED 的设计与制备：研究人员将 TE 腿嵌入 DSPU 并使用液态金属电极连接，形成特殊结构。通过选择性封装策略，使 TE 腿两端温差提高 185%，TE 性能提升 171%。综合考虑性能、自愈合性和制备可行性，确定 1mm 为最佳封装层厚度，26% 为最佳填充因子 。制备过程先制作绝缘中心层，再嵌入 TE 腿并用液态金属电极连接，最后进行封装。该设备自愈合能力出色，且能适应多种机械变形。
2. CD - TED 在不同条件下的热电性能：对 50 对 p/n TE 腿的 CD - TED 进行测试，其在温差 5 - 30K 时，开路电压（V_OC）最大可达 258mV，输出功率（P_out）最大为 5.55mW，可给可穿戴电子设备供电。数值模拟显示，CD - TED 的 TE 腿温差比未选择性封装的 D - TED 高 1.85 倍，输出显著提升。而且，CD - TED 在低温和潮湿环境下输出稳定，适用于多种场景。
3. CD - TED 的机械稳定性和热可靠性：经过 2000 次弯曲循环测试，CD - TED 的电压、功率和电阻变化稳定，弯曲刚度低，可弯曲半径小，拉伸性良好，在应变为 25% 时仍能保持稳定。热可靠性测试中，其输出功率和内阻在 160 分钟内保持稳定，在人体手臂应用中能利用人体热量发电 。
4. CD - TED 的自愈合性能：CD - TED 的液态金属电极流动性和 DSPU 网络内键的重组使其具有自愈合特性。DSPU 材料室温下 2 小时的自愈合效果良好，性能接近原始材料。实验中，CD - TED 切断后重新组装，1 小时后能自愈合并重新点亮 LED，且自愈合后性能稳定。
5. CD - TED 模块的组装：CD - TED 具备模块化组装潜力，将多个 CD - TED 模块组装后，开路电压线性增加。利用 Peltier 效应，构建塔状结构用于冷却应用，两层 TE 层的 CD - TED 冷却效果最佳，在电流 0.8A 时，最大冷却温差达 6.2K ，且单双层设备都具有良好的柔韧性。

研究结论与讨论

该研究成功开发出的 CD - TED 是一种创新的热电设备，它集柔性、自愈合和模块化组装于一身，性能卓越。选择性封装策略增强了向 TE 腿的热传递，使功率输出相比 D - TED 大幅提升 171% 。有限元分析验证了碳纳米管掺杂自愈合材料对传热能力和 TE 性能的改善。CD - TED 的多种特性拓宽了柔性热电设备的应用范围，在可穿戴能源采集和温度调节领域具有广阔的应用前景，为未来相关研究和技术发展提供了重要的参考和方向。