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一、文章概述

热电发电机（TEG）具有直接将热量转化为电能的能力，因此是为可穿戴电子设备和“物联网”供电的绝佳选择。本文报告了一种具有出色的可拉伸性，自修复性，可回收性和类似乐高的可重构性的高性能可穿戴TEG，通过将模块化热电芯片，动态共价多亚胺和可流动的液态金属线集成到柔性主板刚性插件模块的机械体系结构设计中。实现了创纪录的高柔性TEG的开路电压，在95K的温差下达到1V/cm2。此外，该TEG在冷侧与波长选择超材料薄膜集成在一起，从而大大改善了器件太阳辐射下的性能，这对于户外活动期间的可穿戴能量采集至关重要。本文报道的TEG的最佳性能和设计理念可为交付具有广泛应用的下一代高性能，适应性强，可定制化，耐用，经济，环保的能量收集设备铺平道路。相关论文以题为“High-performancewearablethermoelectricgeneratorwithself-healing,recycling,andLego-likereconfiguringcapabilities”于年2月10日在国际顶尖学术期刊ScienceAdvances(IF=13.)上线，通讯作者和单位分别为：哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室LixiaZhang、科罗拉多大学博尔德分校机械工程系JianliangXiao和华中科技大学能源与动力工程学院RongguiYang教授。

二、图文导读

TEG由模块化的热电芯片，液态金属作为电气线路以及动态共价热固性聚亚胺作为液态金属线路的基板和封装组成（图1A）。图1A的插图显示了设备设计的分解图，图1B显示了已组装的TEG设备的光学图像。由于动态共价热固性聚亚胺网络内的键交换反应和液态金属电线的流动性，这种TEG具有可自我修复，可回收利用和类似于Lego的可重构性，如图1A所示。此外，这种TEG具有出色的机械性能。它可以在工作时弯曲（图1C），拉伸（图1D）并戴在手指上（图1E）。

图1、TEG的设计和制造。

（A）设计、制造过程和关键特性的示意图，包括自修复性、可回收性和类似乐高玩具的可重构性。TEG处于平坦状态（B）、弯曲（C）、伸展（D）并戴在手指上（E）时的光学图像。

图2、TEG的输出和性能。

（A）在冷端温度（Tcold）保持在20℃的情况下，各种温度差（ΔT）下的发电量（Pout）与输出电压（Vload）的关系。黑点是测量数据。

（B）最大发电量（Pmax）与温度差的关系。

（C）开路电压（Voc）与温差的关系。（A）和（B）中的实线是使用抛物线函数的拟合曲线。（C）中的实线是线性拟合曲线。

（D）在热侧温度（Thot）保持在℃的条件下进行小时的耐力测试。冷侧为自然对流，室温（Troom）约为26℃。

（E）该TEG与文献中报道的其他柔性TEG之间的性能比较。柔韧性是指文献中实验证明的TEG的最小弯曲半径。

图3、TEG的可穿戴能量收集和机械性能。

（A）附着在手臂上的TEG的光学和红外（插图）图像。

（B）当佩戴者坐着和走路时，在人体皮肤上具有条热电腿的TEG的发电（Pout）和输出电压（Vload）。冷的一面是自然对流。当将TEG弯曲到3.5mm（C）的半径并拉伸％（D）时，有限元方法（FEM）模拟了TEG和TE腿（插图）中的应变分布轮廓。

（E）在0个弯曲周期内的相对电阻变化和发电稳定性。插图显示了TEG平坦且弯曲时的光学图像。

（F）相对电阻变化和发电量与拉伸比（ΔL/L0）。对于（E）和（F）中的输出功率（Pout）测量，将热侧温度保持在41℃，冷侧保持自然对流，室温保持在26℃左右。

（F）中的插图显示了拉伸测试过程中TEG的光学图像，该图像与发光二极管（LED）和4-VDC电源串联以进行视觉演示。

在此TEG中，聚亚胺网络内的液态金属布线的流动性和键交换反应为该设备提供了出色的自修复能力。图4A示意性地示出了自修复过程和机制。图4B和视频1通过带有两个热电模块的TEG设备实验性地演示了此过程。当液态金属布线和聚亚胺基板被割断时，LED熄灭（顶部中间）。将接口重新接触可以立即修复液态金属布线中的电导率，并且LED再次亮起（底部中间）。在室温下修复1.5小时后，在界面处产生了足够的共价键，从而导致了机械坚固的自修复TEG，该TEG可以弯曲而不影响功率输出（图4B，右）。图中的光学显微镜图像。自修复的TEG表现出与原始设备相当的可拉伸性，因为它可以拉伸％而不会影响电阻（图4C）。

图4、自修复、可回收和类似乐高的重构性。

（A）自修复机制的示意图。

（B）在自愈测试中TEG的光学图像。原始的TEG灵活，并与LED和4-VDC电源串联（左）。当液态金属电线和聚亚胺基板均被切断时，LED熄灭（顶部中间）。当折断部位的两个表面接触时，液态金属电线会立即愈合，从而导致LED亮起（底部中间）。1.5小时后，聚亚胺底物完全愈合并恢复机械强度（右）。

（C）自愈TEG的相对电阻变化（ΔR/R0）与拉伸比的关系。插图显示了拉伸试验过程中自修复的TEG的光学图像。

（D）TEG在不同回收步骤的光学图像。新的TEG与LED和4VDC电源串联（左下）。

（E）旧的TEG与回收的新TEG之间的发电比较。

（F）将两个单独的TEG（设备I和II）组装成新的功能性TEG（设备III）的类似乐高的配置。新的TEG（设备III）与LED和4VDC电源串联（右）。

（G）TEGI、II和III之间的发电比较。

视频1、可穿戴热电发电机

图5、使用波长选择超材料薄膜增强的户外性能。

（A）白天和晚上具有裸露表面（顶部）和波长选择表面（底部）的TEG的传热过程示意图。Psolar和Patm分别是表面上的太阳辐射功率和大气辐射功率，Prad是表面的热辐射功率，Pnonrad是表面与周围环境之间的非辐射热传递（对流和传导）。

（B）在nm至25μm范围内测得的裸露表面和波长选择表面的吸收率/发射率。大气层（灰色块）的吸收率/发射率和光谱太阳辐照度的功率密度[黄色块；空气质量（AM），1.5]也包括在内。裸露表面和波长选择表面都具有8至13μm（大气透射窗口）之间的强发射，这表明其具有出色的辐射冷却性能。裸露的表面在完整的太阳光谱（0.87）和其他红外波段（0.96）下具有很强的吸收性，而波长选择性表面在太阳光谱中的吸收比在红外波段中的吸收弱得多。

（C）气象站在13:00至18:00（年11月9日，美国科罗拉多州博尔德）测量的太阳辐照度、室外温度和风速。13:00至18:00在冷侧具有裸露表面和波长选择表面的TEG的总表面热交换（D）、输出电压（E）和发电（F）。

三、结束语

这项工作报告了一种高性能可穿戴式TEG，具有出色的拉伸、自愈、可回收和类似乐高的可重构功能。这项工作中报道的TEG系统的设计概念、方法和属性可以为开发具有广泛应用的下一代高性能、适应性强、可定制、耐用、经济和环保的能量收集设备铺平道路。（1）、为了实现这些特性，通过SOM-RIP的新颖机械结构设计，集成了高性能模块化热电芯片，动态共价热固性聚亚胺作为基材和封装以及可流动的液态金属作为电线。这种TEG可以在柔性TEG中在95K的温度差下产生创纪录的1V/cm2的开路电压密度，这有望收集低等级的热量来为物联网和可穿戴电子设备供电。这些功能使TEG能够适应快速变化的机械和热工条件以及用户要求。（2）、此外，在TEG的冷侧集成了一个波长选择性超材料膜，以同时使辐射冷却最大化，并使太阳辐射的吸收最小化。因此，在太阳辐射下可以大大提高热电性能，这对于在户外活动期间收集可穿戴能量至关重要。还要注意，这项工作的总体设计概念是可扩展的，并且适用于其他热电材料和制造方法，包括卷对卷物理气相沉积和印刷技术。通过改善热电薄膜的制造工艺，采用热电性能更好的热电薄膜以及使用尺寸更小的传统热电腿，可以进一步提高可穿戴式TEG的热电性能。

四、论文信息

High-performancewearablethermoelectricgeneratorwithself-healing,recycling,andLego-likereconfiguringcapabilities

ScienceAdvances(IF=13.)

PubDate：-2-10

DOI:10.6/sciadv.abe

WeiRen,YanSun,DongliangZhao,AblimitAili,ShunZhang,ChuanqianShi,JialunZhang,HuiyuanGeng,JieZhang,LixiaZhang,JianliangXiaoandRongguiYang

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