问题:从“体温发电”到“穿戴即供电”,热电技术被视为连接环境低品位热能与用电需求的重要路径。
热电材料能够在温差驱动下直接发电,也可在通电后实现一端制冷一端放热,具备无燃料、低噪声、无直接排放等特点。
相比传统无机热电材料,聚合物材料质量轻、柔软贴合、可溶液加工并适用于大面积印刷,更契合可穿戴设备、柔性传感与局部制冷等场景。
然而,聚合物热电材料长期面临性能瓶颈,尤其是在常温至中温区间难以获得同时“高导电、低导热”的综合指标,导致从实验室走向规模化应用仍受制约。
原因:业内普遍认为,聚合物热电性能提升的核心矛盾在于电输运与热输运难以兼得。
提升电导率往往需要分子链更有序、形成利于载流子迁移的“通路”;而降低热导率则倾向于引入无序结构以增强声子散射、阻断热量传递。
两种需求在同一材料体系中容易相互牵制,形成“优化一端、牺牲另一端”的困局。
加之柔性器件要求材料在弯折、贴附、重复形变下保持稳定性能,进一步抬高了材料设计与制备难度。
影响:此次中国科学院化学研究所团队提出以结构工程破解矛盾的思路,研制出呈现“多级孔—狭缝通道”特征的柔性热电薄膜:一方面,不规则孔洞构成复杂热传导路径,有效削弱热量直通;另一方面,狭窄缝隙对导电分子产生“限域”效应,使其在局部区域内更趋有序,形成更高效的电荷传输通道。
研究显示,该结构使材料热导率降低72%,电导能力提升52%,实现了热与电输运的“解耦”与协同提升。
在343开尔文(约70摄氏度)条件下,材料热电优值最高达到1.64,超过同温区柔性无机热电材料表现,表明聚合物体系有望在可穿戴与柔性制冷等应用窗口形成竞争优势。
相关成果已于3月6日在线发表于《科学》,为柔性热电材料发展提供了具有可验证性的路线。
对策:面向产业化与场景落地,专家指出仍需在“可制造、可集成、可验证”三个层面同步推进。
其一,制备工艺要兼顾一致性与成本。
该薄膜具备喷涂成型等溶液加工优势,有利于连续化、卷对卷与大面积制备,但仍需进一步评估在不同基底、不同厚度与复杂曲面条件下的结构可控性与性能均一性。
其二,器件工程需强化系统设计,包括热端与冷端的界面热阻管理、模块互联与封装可靠性,以确保温差利用效率和长期稳定性。
其三,要建立贴近实际使用的评价体系,在汗液、摩擦、弯折循环、洗涤等条件下开展寿命测试,并与可穿戴传感器、低功耗芯片、能量管理电路协同验证,形成从材料到器件再到应用的闭环。
前景:随着低功耗电子、柔性封装与能量采集电路的持续进步,利用体温及环境温差进行“微能量供电”有望在健康监测、运动穿戴、野外应急与物联网节点等领域率先应用;而基于帕尔贴效应的贴片式制冷,也可能在局部温控、舒适性调节与特定医疗辅助场景中拓展空间。
业内判断,聚合物热电材料的关键突破将推动柔性热电从“性能追赶”转向“应用牵引”,并带动多学科交叉:既需要高分子化学与相分离结构调控,也需要热管理、微纳加工与系统工程协同。
未来若能在更宽温区保持高性能,并实现规模化良率与标准化测试,柔性热电技术的实用化节奏有望明显加快。
在全球能源转型的关键时期,这项来自中国科学家的原创突破不仅刷新了材料性能纪录,更开辟了柔性电子与绿色能源融合发展的新赛道。
随着后续产业化进程加速,未来或将在医疗监测、智能穿戴、物联网等领域催生革命性应用,为构建清洁低碳的能源体系贡献中国智慧。
这一成果也再次证明,基础研究的持续深耕是突破技术瓶颈、实现产业跃升的根本动力。