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  熱電發(fā)電機(jī)（TEGs）有望從人體體表直接獲取電能，在柔性和可穿戴電子設(shè)備方面顯示出巨大潛力。理想的柔性可穿戴TEGs需要保證在室溫附近具有較高的熱電性能，對于彎曲或不規(guī)則的皮膚表面要具有較好的共形能力，且要有較高的可拉伸性以適應(yīng)身體運(yùn)動所引起的應(yīng)變，以及在實(shí)際應(yīng)用過程中能實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)以應(yīng)對機(jī)械損傷。

  針對以上考慮，深圳大學(xué)陳光明/劉卓鑫課題組采用一種微波浪結(jié)構(gòu)，將高性能熱電薄膜與彈性水凝膠結(jié)合起來，制備了一種用于可穿戴應(yīng)用的柔性可拉伸TEG。該水凝膠基底含共價交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，且分子鏈內(nèi)與鏈間通過多重動態(tài)氫鍵相互作用，因而具有高拉伸性和一定的自修復(fù)能力。所采用的微波浪結(jié)構(gòu)成功將水凝膠本體的高拉伸性和自修復(fù)能力提升到了器件層面，所制備的TEG可輕松拉伸300%且保持穩(wěn)定的熱電性能，并能夠通過水凝膠的自修復(fù)和微波浪結(jié)構(gòu)的重排來及時補(bǔ)救損傷，實(shí)現(xiàn)一定的“自救”效果。

圖1 水凝膠基底的結(jié)構(gòu)與合成示意

圖2 p型與n型薄膜的熱電性能

  該微波浪狀結(jié)構(gòu)TEG在15K的小溫差下，僅用三個p-n對串聯(lián)就實(shí)現(xiàn)了4.15 mV的輸出電壓和172.9 nW的輸出功率。此能量輸出可以較好地滿足低功耗傳感器和發(fā)射器的要求。該TEG可輕松拉伸到300%，同時，可以保持穩(wěn)定的能量輸出，在拉伸過程中始終保有初始狀態(tài)90%以上的熱電性能。其拉伸性和性能穩(wěn)定性超過了大多數(shù)文獻(xiàn)報道的TEGs。另外，還表現(xiàn)出理想的器件層面的自救能力，利用水凝膠高效的自修復(fù)特性和熱電腿的微波浪狀結(jié)構(gòu)，在器件損傷時及時補(bǔ)救，從而維持穩(wěn)定、持續(xù)的能量供給。

圖3 TEG設(shè)計與性能測試

  此研究為高拉伸性可穿戴TEGs提供了可參考的設(shè)計思路，相關(guān)工作發(fā)表在《CCS Chemistry》上，文章的第一作者為深圳大學(xué)材料學(xué)院劉卓鑫助理教授，通訊作者為深圳大學(xué)陳光明特聘教授和國家納米科學(xué)中心王漢夫副研究員。

  原文信息：A Wavy-Structured Highly Stretchable Thermoelectric Generator with Stable Energy Output and Self-Rescuing Capability

  Zhuoxin Liu, Xiaodong Wang, Shasha Wei, Haicai Lv, Jiaqian Zhou, Peng Peng, Hanfu Wang* and Guangming Chen*

  CCS Chem. 2021 Online

  https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101077