“热电橡胶”让可穿戴设备告别充电——访青岛科技大学教授刘凯

如果有一天，以智能手环为代表的可穿戴设备不再需要反复充电，材料自身就能转化能量续航，这将是怎样的场景？

一种兼具拉伸弹性、伸展性和热电转化能力的创新材料，让上述想象成为可能。8月13日，北京大学雷霆教授团队成功研发出全球首个皮肤共型性、皮肤适形性和高效发电能力的“热电橡胶材料”，该研究成果以“N-type thermoelectric elastomers（N型热电弹性体）”为题发表于国际顶级学术期刊《自然》杂志。近日，记者采访了该论文的共同第一作者——青岛科技大学教授刘凯。

破解热电材料刚性难题

废热，又称余热，是指人类在活动中因特定需求生产的热能在利用后排放的未被再利用的热能。废热最具潜力的应用是发电，而热电材料作为基于热电效应实现热能与电能直接转换的无污染材料，其核心机制依赖于塞贝克效应（温差发电）和帕尔贴（电流制冷）的协同作用，可自主完成废热发电或主动制冷。目前该技术已广泛应用于人造器官（如心脏起搏器）及无人特种装备（如极地考察设备）等供能场景。
    “目前，传统热电器件主要采用无机热电材料（如Bi2Te3、PbTe等）。这类材料因热电性能优异占据较大市场份额，但其固有刚性结构难以适应人体皮肤的动态形变需求——这是热电领域一个核心指标：能否高效利用人体皮肤热能或环境废热进行发电。相较之下，有机热电材料虽具备结构柔性优势，却存在拉伸后回弹性不足、与皮肤共形接触困难以及热电转化效率较低等问题。”刘凯向记者解释说，“为满足柔性可穿戴设备的动态形变适应性，亟须解决的关键科学问题在于：如何同时提升有机热电材料的延展性与转化效率，使其兼具高热电性能与优异的机械可变形性。”

“在热电材料研发中，韧性优异的材料选择是关键。”刘凯表示，“博士期间在中国科学院化学研究所刘云圻院士—郭云龙研究员团队学习时，我的研究方向是将弹性体的高拉伸性与聚合物半导体的高电荷输运特性相结合，开发新型本征可拉伸聚合物半导体材料与器件。这一探索为当前聚焦热电性能与机械柔性的协同优化研究奠定了重要基础。”

历时两年左右，刘凯依托北京大学雷霆教授团队，并联合青岛科技大学华静教授团队、中国科学院化学所刘云圻院士—郭云龙研究员团队、狄重安研究员团队和北京大学裴坚教授团队，共同开发出了首个N型热电弹性体（TEE）。

为可穿戴设备创造理想供能

“研发两年，投稿发表《自然》不到三年。过程看起来很快，但也遇到很多没有预想过的情况。”刘凯告诉记者，比如如何兼顾材料的拉伸弹性与热电性能？如何突破有机材料固有的热电性能桎梏，对标无机材料的转换效率？

“通过实验探索，团队初步揭示了关键机制。”他介绍，“我们创新性地提出均匀纳米相分离、热激活交联和定向掺杂三种协同策略，成功赋予新材料卓越的拉伸回弹性—其拉伸应变高达850%，已经超越大部分传统橡胶的性能水平。”

“我们最初预期这种材料的热电性能会随着拉伸逐步下降，甚至希望其性能衰减尽可能小。”刘凯笑着说，“令人意外的是，实验结果却显示热电性能不降反增。”在室温（300K）条件下，N型热电弹性体的热电优值（ZT值）可达0.49，这一数值已接近甚至超越当前柔性或塑性无机热电材料的性能水平。团队进一步分析发现，性能提升主要源于两方面机制：其一是纳米相分离结构有效提升了共轭高分子的载流子迁移率，从而增强电导率和塞贝克系数；其二是弹性体聚合物对共轭高分子的包裹作用，通过界面传播子散射显著降低了材料的整体热导率。

“N型热电弹性体（TEE）本身为单一材料，需配合上下电极组成面外型发电机结构。基于此，团队制造了首个弹性热电发电机。”刘凯分析道，“由于材料本身具备优异的柔软性与拉伸性能（类似于膏药的贴合特性），能够与人体皮肤紧密贴合，在运动过程中不易脱落，且可随人体动作同步变形，因此能有效收集热能；同时，由于弹性体与皮肤的紧密贴合，接触电阻较低，对热电转化效率的影响较小。”

他进一步指出，这种材料无需复杂互连结构的特性，使其能够直接与皮肤表面适配，同时保持较高的填充因子和较低的热阻，这些优势共同构成了柔性电子器件的理想能源采集方案。

新材料的出现为可穿戴设备的发展带来关键转机。刘凯指出，现有柔性机器人、电子皮肤式传感器均依赖于外界电源供电，存在使用不便和断电风险；而若采用N型热电弹性体作为能源采集材料，有望实现两种供电模式：其一是直接通过人体皮肤与环境的温差实现持续稳定的自供电，其二是通过采集周围环境废热供能或将实现直接利用人体皮肤进行持续不间断的供电，或者利用周围环境废热发电。

“展望未来，基于热电材料的智能手环、智能手表等可穿戴设备或将摆脱充电限制，实现自主供能——材料自身即可完成废热转化供电。”刘凯补充道。

距离产业化仍有三道关卡

刘凯用简洁的类比描述N型热电弹性体的特性：“类似橡皮筋的特性，拉伸后释放即可自动回弹至原位。”然而，谈及产业化应用时，他坦言，尽管该材料性能突出，为可穿戴设备的能源采集带来了诸多想象空间，但其仍处于研究初期阶段，材料性能的稳定性与规模化制备等关键问题仍需突破。

记者了解到，热电材料的性能关键在于电导率与热导率的协同调控，通常理想的热电材料需兼具高电导率与低热导率。当前，许多热电材料受限于相对较低的热电转换效率，因此如何提升热电效率仍是亟待解决的核心问题。

“未来需要从三个关键方向推进：一是进一步优化材料的热电效率，在现有基础上对标无机热电材料的性能指标（如热电优值ZT值），将数值提升至更高水平；二是强化材料的稳定性，避免在空气中发生氧化降解；三是探索成本优化路径。”刘凯指出，从应用前景看，这种N型热电弹性体有望在两个领域实现产业化落地：一方面可应用于可穿戴设备领域，直接通过人体与环境温差发电供能；另一方面可配套太阳能电池板，通过采集光伏组件产生的废热进行能量回收。