成果概览

       近日，我室联合中科院宁波材料所在国际能源领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》上发表题为“High-power wearable thermoelectric generators enabled by bulk-quality (Bi,Sb)2Te3 thick films and heat-flow engineering”的研究论文（EES，IF=30.5）。我室博士研究生徐浩伟为第一作者，王国祥特聘研究员（宁波大学），张强副研究员（宁波材料所）以及蒋俊研究员（宁波材料所）为共同通讯作者。

       文章链接：https://doi.org/10.1039/D6EE04772F

1、研究背景：可穿戴供能亟需破解“小温差—高输出”矛盾

       随着智能手表、可穿戴传感器和健康监测设备快速发展，传统电池在续航、维护和长期稳定供能方面面临挑战；人体持续产热则为可穿戴电子设备提供了潜在持续能源。然而，实际佩戴时皮肤与环境温差通常较小，如何将有限温差有效转化为电能，成为可穿戴热电器件走向实际应用的重要问题。可穿戴热电发电机虽能持续采集人体热能实现自供电，但实际佩戴工况下输出功率不足，制约了其实用化进程，瓶颈主要在于柔性材料难以同时保持块体级热电性能，且可穿戴器件难以建立有效温差。

2、协同设计策略：材料高性能与器件热流管理并重

       针对这一问题，研究团队提出了“高性能热电材料+热流工程器件结构”的材料—器件协同设计策略如图1。一方面，通过调控慢速区熔生长（slow-zone-melted）的p型(Bi,Sb)₂Te₃晶体中的过量Te含量，优化载流子浓度，使材料在保持高结晶质量的同时获得优异的电输运性能；另一方面，构建Y型柔性器件结构，通过低热导率PDMS柔性基底、凸出的铜集热柱以及铜散热结构，对人体热量传输路径进行调控，减少热量旁路损失，从而提高热电转换臂两端的有效温差。

图1. 可穿戴热电发电器的功率导向型材料与器件协同设计

3、材料创新：过量 Te 调控载流子输运，厚膜兼具高性能与柔性

       在材料方面，研究发现，适量引入过量Te能够有效补偿晶体生长过程中的Te挥发，调控缺陷平衡并优化载流子浓度如图2。当过量Te含量为4 wt%时，材料室温功率因子达到 55.2 μW·cm⁻¹·K⁻²，相比未调控样品提高约 28%。同时，所得热电厚膜具有良好的层状结构和结晶取向，可通过机械剥离获得具有柔性的自支撑厚膜，为兼具高性能与柔性的可穿戴热电器件提供了材料基础。

图2过量Te调控Bi–Sb–Te厚膜载流子输运的机制示意图。

4、器件创新：热流路径与几何结构优化

       在器件设计方面，研究团队进一步对热流路径和器件几何结构进行了优化。低热导率PDMS基底能够有效抑制热量通过柔性基底泄漏，凸出的铜热柱则将人体热量优先导入热电转换臂，并通过散热结构促进冷端散热。研究表明，随着热电转换臂长度增加、厚度减小，有效温差能够进一步提高；但过长或过薄又会增加电阻，因此需要在温差和电阻之间实现平衡。最终优化得到热电转换臂长度10 mm、宽度5 mm、厚度0.2 mm的器件结构。

5、性能验证：高功率密度与多场景稳定性

       得益于材料性能和器件热流管理的协同优化，器件在ΔT=80 K条件下实现了 313.8 W·m⁻²的最大功率密度，并表现出良好的弯曲、热稳定和耐水性能。经过1000次弯曲循环后，器件输出性能基本保持稳定；在70%左右相对湿度环境下连续测试10天，器件性能没有出现明显衰减；经过10小时、0.5 m深度的水浸测试后，输出仍保持初始值的96%以上。

6、应用演示：人体余热驱动数字手表

       更为重要的是，该研究实现了人体余热条件下的实际发电验证如图3。研究团队制备了包含80个热电臂的可穿戴器件，并将其佩戴于人体手腕。在环境温度约25 ℃的条件下，静止状态下器件两端可建立约 3.1 K的有效温差，输出开路电压达到 51.7 mV，最大输出功率达到 64.3 μW。随着人体由站立转为行走和跑步，器件输出功率进一步提高，最大输出功率分别达到 172.2 μW和 325.4 μW。

图3实际人体热量采集与自供电手表演示。(A)佩戴于腕部的80腿型 FTEG 在静止状态下的照片。(B)红外热成像图显示佩戴于腕部的设备两侧温差为3.1 K。(C)静止、行走及跑步状态下的开路电压。(D)不同运动状态下的电压-电流曲线。(E)相应的功率-电流曲线。(F)小温差可穿戴场景下Pmax与Voc的性能对比基准图。 (G)集成可穿戴柔性热电器件、LTC3108 升压芯片与数字手表的自供电系统。

       在此基础上，研究团队将可穿戴热电器件与电源管理电路及低功耗电子表相结合，实现了利用人体余热驱动数字手表的演示，验证了该器件为低功耗可穿戴电子设备提供持续电能的可行性。

结论与展望

       该研究通过将高性能热电材料与器件热流管理进行协同设计，突破了柔性热电材料性能与实际器件输出难以兼顾的限制，为利用人体余热实现可穿戴电子设备自供能提供了新的技术路径。研究成果也为柔性热电发电、可穿戴传感以及分布式微型能源系统的发展提供了新的思路。