武大NC：可自愈柔性热电“乐高”，实现最高6.2 K的冷却温度

01 科学背景

可穿戴电子设备的快速发展推动了对高效柔性电源的需求。热电装置（TED）通过塞贝克效应将热能直接转化为电能，凭借无机械部件、可收集环境热能的优势，成为可穿戴供电的理想选择。近年柔性TED取得重要突破：有机热电材料、弹性聚合物基复合结构及可印刷热电油墨等创新技术，显著提升了器件柔韧性与适应性，为开发贴合人体形态的多场景应用提供了新路径。

柔性热电装置（TED）的广泛应用仍面临多重挑战：‌模块化与可扩展性不足‌，难以根据场景需求灵活定制功率输出；‌PDMS封装材料‌虽增强柔性，却因高热阻降低器件温差，影响热电效率；此外，‌多数设计缺乏自愈能力‌，在机械应力下易出现耐用性缺陷。

02 创新成果

武汉大学王自昱教授、侯佑民教授、侯悦副研究员、德国亚琛工业大学Yuan Yu等研究人员通过集成基于Bi2Te3的TE腿、液态金属EGaIn互连线和二硫化物交联聚氨酯(DSPU)封装，开发了一种自修复和模块化的柔性TED。为了提高这种柔性TED的输出功率，创建了一种选择性封装策略，以最大限度地减少热电元件的寄生热损失。使用掺杂碳纳米管的DSPU (CD)选择性地封装液态金属互连线。因此，这种热电装置(CD-TED)显示出3.14 μW cm-2 K-2的高归一化功率密度，该值优于最近 报道的自修复柔性热电发电机，并且与其他柔性TED相比处于最高水平。CD-TED具有卓越的自愈性能，并采用类似乐高积木的创新形状和线路设计，使用户能够在平面和垂直方向上模块化组装和扩展TED。这种模块化设计允许根据电子设备的热源或功耗进行定制。此外，多层塔式结构的采用使热电器件实现了最佳冷却效果，在0.8 A的电流水平下可实现6.2 K的最高冷却温度。与单层热电器件相比，该技术使冷却温差提高了1.6倍。

相关研究成果以“Modular assembly of self-healing flexible thermoelectric devices with integrated cooling and heating capabilities”为题发表在Nature Communications上。

03 核心创新点

自愈材料DSPU的应用：选择二硫键交联的聚氨酯（DSPU）作为封装材料，其具有动态二硫键和氢键，可在材料破损时实现自我修复。这种自愈能力对于可穿戴设备在复杂机械应力环境中保持性能稳定至关重要。

液态金属电极的优势：采用液态金属（EGaIn）作为电极材料，不仅具有良好的导电性，而且其流动性有助于自愈过程的实现。在装置受损后，液态金属的流动性使分离的部分能够重新连接，从而恢复装置的机械完整性和导电性。

热传递的优化：通过选择性地使用掺杂碳纳米管的DSPU（CD）封装液态金属电极，显著提高了热电腿之间的热传递效率。与完全由未掺杂DSPU封装的装置相比，这种策略将热电腿上的温度差提高了185%，从而将热电性能提升了171%。

乐高式组装模式：装置采用了类似乐高的形状和导线电路设计，使得用户能够以模块化的方式进行组装和扩展。这种设计允许用户根据热源或电子设备的功耗需求，灵活地定制装置的形状、结构、输出电压和功率。

04 数据概览
            

图1.TED的设计和制造

图2.选择性封装碳纳米管掺杂的DSPU（CD）对自修复TED的TE性能的影响

图3.CD-TED的机械和热可靠性

图4.CD-TED的自修复特性

图5.模块组装的CD-TED

05 成果启示
   

这项研究介绍了一种创新的热电装置（CD-TED），它不仅灵活、自愈，而且可以模块化组装，性能卓越。将液态金属电极与掺杂碳纳米管的自愈材料选择性封装，增强了向TE腿的热传递，同时保持了其自愈性能，热导率达到0.9 W m-1 K-1。CD-TED将ΔTTE/ΔTApplied比率最大化高达50%，与D-TED相比，功率输出显著提高了171%。有限元分析进一步验证了改进的传热能力和TE性能，这归因于掺杂碳纳米管的自愈材料的加入。在自愈材料和液态金属的增强下，这种热电装置既具有自愈能力，又可模块化组装，同时还可适应各种圆柱曲率。这些特性拓宽了柔性热电设备的多功能性，为可穿戴能量收集和温度调节的更广泛应用开辟了道路。