來源：科技日?qǐng)?bào)，科技日?qǐng)?bào)記者 張蓋倫

一種具有自愈合能力、類樂高可模塊化重構(gòu)、且可以回收再利用的高性能柔性熱電發(fā)電器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室誕生。我國研究人員與美國研究人員合作，研發(fā)出了一種新型柔性熱電器件，為下一代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括室外運(yùn)動(dòng)可穿戴電子設(shè)備提供了高性能、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性且可定制的自供能發(fā)電器。相關(guān)論文已于近日發(fā)表在《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展（Science Advances）》上。

研究負(fù)責(zé)人、華中科技大學(xué)教授楊榮貴告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“熱”是最基本的能量形式之一，以各種形態(tài)廣泛存在于人類生活和自然環(huán)境中。相關(guān)研究顯示，在能源利用中，超過50%的能源是以熱能的方式浪費(fèi)掉。這部分浪費(fèi)掉的熱能中，低于100攝氏度的低溫廢熱占比高達(dá)63%，且極難被傳統(tǒng)的機(jī)械發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)高效地再利用。“熱電發(fā)電器為低溫廢熱的再利用提供了新的機(jī)會(huì)。”任偉表示，全固態(tài)的熱電發(fā)電器可以利用人體體溫給可穿戴電子設(shè)備供電，或者利用廣泛存在的工業(yè)廢熱給物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)供電。熱電發(fā)電器的應(yīng)用不僅可以回收低溫廢熱，將其轉(zhuǎn)化為有用的電能，還可幫助電子設(shè)備淘汰低壽命高污染的傳統(tǒng)電池，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

由于人體及各種工業(yè)和自然熱源的表面通常為不規(guī)則的復(fù)雜形狀，這就要求熱電發(fā)電器具備優(yōu)異的柔軟自適應(yīng)性和可拉伸性。研究人員首次提出一種“軟質(zhì)母板-硬質(zhì)插入”的力學(xué)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體功能材料上的應(yīng)變量只有柔性母板應(yīng)變量的一千兩百分之一，使得熱電器件具備超高的柔性和可拉伸性。

研究人員基于動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)，設(shè)計(jì)了一種全新的高分子聚合物，將它作為發(fā)電器的支撐和封裝材料。這樣一來，器件具備了類似生物組織的自愈合能力，可以大幅延長使用壽命。該發(fā)電器的另一大亮點(diǎn)是可回收。楊榮貴介紹，將器件浸入特殊的溶劑中，就可以完全回收器件的功能部件和高分子材料，用于重新制造全新的熱電器件。這種可回收性可以顯著提升器件的經(jīng)濟(jì)性，還能盡可能減少大規(guī)模商用時(shí)造成的環(huán)境污染。而且，研究人員的設(shè)計(jì)也使器件可以像樂高積木一樣“靈活”地模塊化重構(gòu)，能夠根據(jù)使用場景，快速拼接得到不同輸出功率的熱電器件，大幅降低熱電器件重新設(shè)計(jì)和制造的難度及成本。

熱電器件的冷熱端熱管理與散熱對(duì)能量采集和效率至關(guān)重要。一般來說，器件在戶外陽光暴曬環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)散熱困難。研究團(tuán)隊(duì)把輻射制冷超材料薄膜集成在熱電發(fā)電機(jī)的冷端，可在日間陽光直射情況下實(shí)現(xiàn)熱電器件的高效穩(wěn)定輸出。這種輻射制冷薄膜可以選擇性地反射可見光波段，將熱量通過紅外輻射的形式發(fā)射到太空中，實(shí)現(xiàn)熱電發(fā)電機(jī)冷端的被動(dòng)冷卻效果。楊榮貴展望道，在不久的將來，完全不使用電池的電子設(shè)備或許會(huì)漸漸走進(jìn)普通民眾的生活。

該項(xiàng)研究由華中科技大學(xué)楊榮貴教授研究團(tuán)隊(duì)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)張麗霞教授研究團(tuán)隊(duì)和美國科羅拉多大學(xué)肖建亮教授研究團(tuán)隊(duì)合作完成，任偉博士、孫妍博士和趙東亮博士為共同第一完成者。

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