问题:废热“遍地可见”,但高效、低成本的柔性转换材料长期缺位。
在“双碳”目标牵引下,回收工业余热、人体热量与环境温差等低品位热能,成为提高能源利用效率的重要路径。
热电技术可基于塞贝克效应与帕尔贴效应实现发电与制冷,具有无燃烧、低维护、低噪声等特点。
然而,传统高性能热电材料多为无机体系,虽转换效率较高,却普遍存在脆性大、难贴合曲面、加工适配性不足等限制,难以满足可穿戴、软电子与复杂表面贴附等新兴场景需求。
聚合物热电材料具备轻质柔韧、可弯折、可大面积制备等优势,但其综合性能长期落后,成为柔性热电器件迈向实用的关键瓶颈。
原因:聚合物热电材料面临“导电与隔热难以兼得”的基础矛盾。
热电性能的核心指标为热电优值zT,需要材料同时具备较高电输运能力与较低热传导能力。
聚合物体系要提升电导,往往依赖提高载流子传输通道与有序度;但结构更致密、更有序通常又会提高热导,削弱温差维持能力。
相反,若通过引入孔洞或缺陷来抑制热传导,又可能破坏电荷连续通路,导致电导下降。
正是这一“此消彼长”的矛盾,使聚合物热电材料的性能提升长期受限,难以在低温或接近室温的应用温区实现突破。
影响:结构创新实现性能跃升,zT刷新纪录并指向可规模化制造。
据中国科学院化学研究所介绍,朱道本院士、狄重安研究员团队联合国内合作者,成功研制不规则多级孔结构塑料热电薄膜,在同温区实现zT达到1.64,创下柔性热电材料性能世界纪录。
研究团队提出“多孔无序—狭道有序”的双重结构思路:材料整体呈海绵状,分布着尺度与形貌各异的孔洞,用以增强热散射、阻断热量传递;与此同时,纳米级孔隙又在局部形成“狭道”,诱导聚合物分子链实现更高程度的有序排列,使电子传输通道更为顺畅。
由此在同一材料体系中同时强化“抑热”与“导电”,实现对传统矛盾的系统性破解。
工艺方面,团队采用“聚合物相分离”方法制备薄膜,并兼容喷涂等工艺实现一次成型,有望降低制备复杂度,为大面积、低成本制造提供可行路线。
这一点对于柔性器件从实验室走向工程化尤为关键:性能突破若缺乏可制造性支撑,难以形成产业化牵引。
对策:以应用牵引推进工程验证,打通“材料—器件—系统”链条。
业内人士指出,热电材料从性能指标走向实际应用,还需跨越器件集成与长期可靠性门槛。
下一步可从三方面协同推进:一是面向可穿戴与皮肤贴附场景,开展生物相容性、汗液与弯折循环稳定性等评估,确保在日常使用条件下性能可持续;二是围绕器件结构与热管理开展系统设计,包括热端/冷端界面匹配、散热与保温策略、薄膜电极与封装工艺等,以把材料优势转化为整机输出;三是结合喷涂成型等工艺特点,建立面向批量生产的质量一致性与标准化测试体系,推动从单片薄膜到模块化阵列的工程放大。
前景:以小温差驱动的自供能与贴附制冷应用空间广阔。
研究团队介绍,人体与环境存在约5℃至10℃温差时即可产生可观电能输出,这为可穿戴“自供能”提供现实想象:智能手表、健康监测贴片等设备有望在日常活动中通过体表热量补充电能,降低充电频次;贴附式制冷方面,轻薄柔性的热电贴片可在不依赖传统压缩机制冷的情况下实现局部降温,为个体热舒适调节与特殊工况防护提供新手段。
与此同时,在物联网场景中,海量分布式传感器对“免维护供电”需求迫切。
若能从环境温差、设备表面余热中持续取能,将有望减少电池更换成本与电子废弃物产生,提升系统运行的连续性与绿色水平。
柔性薄膜可贴合曲面、适配复杂结构,也将扩展其在设备外壳、管线表面、建筑构件等场景的部署可能。
从实验室到产业化,从理论突破到实际应用,我国科学家在柔性热电材料领域的这一成就,展现了基础研究服务国家战略需求的生动实践。
当废热不再被白白浪费,而是转化为清洁电能;当普通塑料升级为微型发电站,能源利用的边界将被重新定义。
这不仅是材料科学的进步,更是绿色发展理念的具体体现。
面向未来,随着技术的持续优化和成本的进一步降低,柔性热电材料有望在能源革命中扮演重要角色,为实现碳达峰、碳中和目标贡献科技力量。