“熱電橡膠”讓可穿戴設備告別充電——訪青島科技大學教授劉凱

如果有一天，以智能手環為代表的可穿戴設備不再需要反復充電，材料自身就能轉化能量續航，這將是怎樣的場景？

一種兼具拉伸彈性、伸展性和熱電轉化能力的創新材料，讓上述想象成為可能。8月13日，北京大學雷霆教授團隊成功研發出全球首個皮膚共型性、皮膚適形性和高效發電能力的“熱電橡膠材料”，該研究成果以“N-type thermoelectric elastomers（N型熱電彈性體）”為題發表于國際頂級學術期刊《自然》雜志。近日，記者采訪了該論文的共同第一作者——青島科技大學教授劉凱。

破解熱電材料剛性難題

廢熱，又稱余熱，是指人類在活動中因特定需求生產的熱能在利用后排放的未被再利用的熱能。廢熱最具潛力的應用是發電，而熱電材料作為基于熱電效應實現熱能與電能直接轉換的無污染材料，其核心機制依賴于塞貝克效應（溫差發電）和帕爾貼（電流制冷）的協同作用，可自主完成廢熱發電或主動制冷。目前該技術已廣泛應用于人造器官（如心臟起搏器）及無人特種裝備（如極地考察設備）等供能場景。
    “目前，傳統熱電器件主要采用無機熱電材料（如Bi2Te3、PbTe等）。這類材料因熱電性能優異占據較大市場份額，但其固有剛性結構難以適應人體皮膚的動態形變需求——這是熱電領域一個核心指標：能否高效利用人體皮膚熱能或環境廢熱進行發電。相較之下，有機熱電材料雖具備結構柔性優勢，卻存在拉伸后回彈性不足、與皮膚共形接觸困難以及熱電轉化效率較低等問題。”劉凱向記者解釋說，“為滿足柔性可穿戴設備的動態形變適應性，亟須解決的關鍵科學問題在于：如何同時提升有機熱電材料的延展性與轉化效率，使其兼具高熱電性能與優異的機械可變形性。”

“在熱電材料研發中，韌性優異的材料選擇是關鍵。”劉凱表示，“博士期間在中國科學院化學研究所劉云圻院士—郭云龍研究員團隊學習時，我的研究方向是將彈性體的高拉伸性與聚合物半導體的高電荷輸運特性相結合，開發新型本征可拉伸聚合物半導體材料與器件。這一探索為當前聚焦熱電性能與機械柔性的協同優化研究奠定了重要基礎。”

歷時兩年左右，劉凱依托北京大學雷霆教授團隊，并聯合青島科技大學華靜教授團隊、中國科學院化學所劉云圻院士—郭云龍研究員團隊、狄重安研究員團隊和北京大學裴堅教授團隊，共同開發出了首個N型熱電彈性體（TEE）。

為可穿戴設備創造理想供能

“研發兩年，投稿發表《自然》不到三年。過程看起來很快，但也遇到很多沒有預想過的情況。”劉凱告訴記者，比如如何兼顧材料的拉伸彈性與熱電性能？如何突破有機材料固有的熱電性能桎梏，對標無機材料的轉換效率？

“通過實驗探索，團隊初步揭示了關鍵機制。”他介紹，“我們創新性地提出均勻納米相分離、熱激活交聯和定向摻雜三種協同策略，成功賦予新材料卓越的拉伸回彈性—其拉伸應變高達850%，已經超越大部分傳統橡膠的性能水平。”

“我們最初預期這種材料的熱電性能會隨著拉伸逐步下降，甚至希望其性能衰減盡可能小。”劉凱笑著說，“令人意外的是，實驗結果卻顯示熱電性能不降反增。”在室溫（300K）條件下，N型熱電彈性體的熱電優值（ZT值）可達0.49，這一數值已接近甚至超越當前柔性或塑性無機熱電材料的性能水平。團隊進一步分析發現，性能提升主要源于兩方面機制：其一是納米相分離結構有效提升了共軛高分子的載流子遷移率，從而增強電導率和塞貝克系數；其二是彈性體聚合物對共軛高分子的包裹作用，通過界面傳播子散射顯著降低了材料的整體熱導率。

“N型熱電彈性體（TEE）本身為單一材料，需配合上下電極組成面外型發電機結構。基于此，團隊制造了首個彈性熱電發電機。”劉凱分析道，“由于材料本身具備優異的柔軟性與拉伸性能（類似于膏藥的貼合特性），能夠與人體皮膚緊密貼合，在運動過程中不易脫落，且可隨人體動作同步變形，因此能有效收集熱能；同時，由于彈性體與皮膚的緊密貼合，接觸電阻較低，對熱電轉化效率的影響較小。”

他進一步指出，這種材料無需復雜互連結構的特性，使其能夠直接與皮膚表面適配，同時保持較高的填充因子和較低的熱阻，這些優勢共同構成了柔性電子器件的理想能源采集方案。

新材料的出現為可穿戴設備的發展帶來關鍵轉機。劉凱指出，現有柔性機器人、電子皮膚式傳感器均依賴于外界電源供電，存在使用不便和斷電風險；而若采用N型熱電彈性體作為能源采集材料，有望實現兩種供電模式：其一是直接通過人體皮膚與環境的溫差實現持續穩定的自供電，其二是通過采集周圍環境廢熱供能或將實現直接利用人體皮膚進行持續不間斷的供電，或者利用周圍環境廢熱發電。

“展望未來，基于熱電材料的智能手環、智能手表等可穿戴設備或將擺脫充電限制，實現自主供能——材料自身即可完成廢熱轉化供電。”劉凱補充道。

距離產業化仍有三道關卡

劉凱用簡潔的類比描述N型熱電彈性體的特性：“類似橡皮筋的特性，拉伸后釋放即可自動回彈至原位。”然而，談及產業化應用時，他坦言，盡管該材料性能突出，為可穿戴設備的能源采集帶來了諸多想象空間，但其仍處于研究初期階段，材料性能的穩定性與規模化制備等關鍵問題仍需突破。

記者了解到，熱電材料的性能關鍵在于電導率與熱導率的協同調控，通常理想的熱電材料需兼具高電導率與低熱導率。當前，許多熱電材料受限于相對較低的熱電轉換效率，因此如何提升熱電效率仍是亟待解決的核心問題。

“未來需要從三個關鍵方向推進：一是進一步優化材料的熱電效率，在現有基礎上對標無機熱電材料的性能指標（如熱電優值ZT值），將數值提升至更高水平；二是強化材料的穩定性，避免在空氣中發生氧化降解；三是探索成本優化路徑。”劉凱指出，從應用前景看，這種N型熱電彈性體有望在兩個領域實現產業化落地：一方面可應用于可穿戴設備領域，直接通過人體與環境溫差發電供能；另一方面可配套太陽能電池板，通過采集光伏組件產生的廢熱進行能量回收。