中国科学院电工所与澳大利亚团队联合研发高性能柔性热电材料，推动可穿戴设备能量供给新突破

引言

近年来，随着智能可穿戴设备的快速发展，如何为这些设备提供更加高效和可持续的能源供给成为了一个亟待解决的技术难题。传统的化学电池虽然广泛应用于现有设备中，但频繁的更换与维护，往往限制了其在规模化应用中的潜力。因此，研发新型的自供能装置，尤其是基于热电材料的柔性发电器件，显得尤为重要。近日，中国科学院电工研究所的古宏伟团队联手澳大利亚昆士兰科技大学的科研人员，在这一领域取得了重要突破，联合研发出高性能的柔性热电膜材料，为可穿戴设备的能量供给开辟了新的可能性。

研究背景

智能可穿戴电子设备的广泛应用，使得轻便、灵活和高效的能源解决方案愈加迫切。虽然热电材料具有将温差转化为电能的优势，但目前市面上多采用的柔性热电材料普遍存在热电性能低和发电器件结构设计不够合理的问题。这些因素导致了发电器件在输出性能方面存在不小的局限性。因此，提升柔性热电材料的热电性能、优化发电器件的结构设计就成为研究的重点。

研究进展

通过采用化学溶液法，结合抽滤与快速热压等多种技术，该研究团队在尼龙衬底上成功制备出一种高性能的柔性Ag₂Se/rGO复合热电膜材料。该材料以Ag₂Se纳米线为主要成分，具备了良好的（013）晶向，这种晶向有利于电子的有效传输，提升材料的导电性能。同时，尼龙衬底的多孔结构，不仅增进了与Ag₂Se之间的结合力，也赋予了材料良好的柔韧性。

进一步的研究显示，复合膜材料中的网状结构的还原氧化石墨烯（rGO）能为电子提供快速导电通道，并能通过能量过滤效应提高材料的电导率和Seebeck系数。这种复合结构能够有效散射声子，从而降低晶格热导率。通过一系列的创新措施，研究团队成功解耦了部分热电参数，显著提高了Ag₂Se材料的热电性能，为后续发电设备的应用打下了坚实的基础。

器件开发与性能评估

在柔性Ag₂Se/rGO复合热电膜材料的基础上，研究团队创新性地采用了拱桥结构设计理念，借助硅胶半球开发出一款由100对热电腿组成的三维面外结构柔性发电器件。新的设计通过有效建立温差和增强热电腿的排列密度，解决了平面型发电器件由于温差小和热电臂集成度低导致的输出性能不足的问题。

评估数据显示，这款新型发电器件的归一化功率密度高达9.8μWcm⁻²K⁻²，创下了Ag₂Se基柔性发电器件的新高。这一结果不仅验证了高性能柔性热电材料的有效性，同时也为未来智能可穿戴设备的自供能解决方案提供了新的思路。

未来展望

该项研究的成功，为热电转换技术在柔性发电器件中的应用奠定了基础，各项性能指标的提升将显著推动智能可穿戴设备在能源供给方式上的突破，显现出巨大的市场潜力和应用价值。研究团队希望在未来的工作中，能够进一步探索和优化材料及结构设计，以期实现更高效的热电发电效率，并推动宽领域的应用。

中国科学院电工研究所作为论文的第一完成单位，以其在柔性热电材料研究上的优秀表现，成为我国在此领域的重要参与者。同时，相关研究成果已于2023年5月29日在《自然通讯》上发表，为国际相关领域的研究提供了重要的参考和借鉴。

中国科学院电工所与澳大利亚昆士兰科技大学的强强联合，不仅在柔性热电材料的研发上取得了显著的成就，更在推动可穿戴设备的能量供给方面开辟了新的方向。这一研究的实施不仅能够减少对传统电池的依赖，还有望为环保和可持续发展做出贡献，推动科技与生活的紧密结合。未来，期待能看到更多相关的创新性研究不断涌现，为各类智能设备的能量供给提供更为高效、绿色的解决方案。