当前,全球可穿戴设备市场正以年均25%的速度增长,但能源供应瓶颈制约着行业深度发展。
智能手表、医疗监测贴片等设备普遍面临每日充电的困扰,传统电池技术已难以满足微型化、柔性化电子产品的需求。
在此背景下,将人体与环境温差转化为电能的热电技术,成为破解能源困局的重要突破口。
中国科学院化学研究所朱道本院士、狄重安研究员团队历时五年攻关,突破性地提出"多级孔结构协同调控"理论。
研究人员采用相分离法制备的聚合物薄膜,其内部呈现纳米至微米级的无序孔洞分布,这种特殊结构使材料具备双重特性:一方面,错综复杂的孔道网络迫使热传导路径迂回曲折,极大降低了声子传输效率;另一方面,预先设计的分子有序通道为载流子搭建了"高速公路",实现电导率与塞贝克系数的同步提升。
实验数据显示,这种厚度不足头发丝直径十分之一的薄膜,在室温环境下热电优值(ZT值)达到1.25,较现有柔性材料提升近300%。
更值得注意的是,该材料可采用喷涂工艺实现大面积制备,与现行电子器件制造流程高度兼容。
技术经济分析表明,若将1平方米薄膜集成于服装内衬,在15℃温差环境下可稳定输出5瓦电力,足以支持智能手环持续工作。
这项突破对能源技术发展具有多重战略意义。
从应用层面看,其柔性特质可适配各类曲面设备,未来或应用于航天器复合蒙皮发电、植入式医疗设备供能等特殊场景;从产业角度而言,该技术使有机材料首次达到工业级热电转换效率标准,为千亿级柔性电子产业扫清关键障碍;在环保维度,通过回收人体及环境废热,预计每年可减少微型电池污染2000吨。
据研发团队透露,下一步将重点优化材料的耐候性与循环稳定性,联合纺织、电子行业龙头企业推进产业化进程。
国家新材料产业发展专家咨询委员会评价称,此项研究标志着我国在柔性能源领域实现从跟跑到领跑的转变,为全球碳中和目标提供了创新解决方案。
从“频繁充电”到“随处取能”,关键在于把分散、低强度的环境能量转化为可用电能。
此次聚合物热电薄膜的结构创新表明,面向未来的能源利用不仅依赖宏观能源供给,更需要材料科学在微观尺度上重塑能量转换方式。
随着相关基础研究与工程化验证持续推进,更多面向生活与产业的“自供电”场景有望加速落地,为绿色低碳发展提供新的技术支点。