北京大学，今日重磅Nature！
2025年08月14日 06:58
广东
本征具备弹性的热电发电器，因其优异的贴合性与形状适应性，对于发展自供能可穿戴电子、柔性生物电子以及个人温度调节器具有重要意义。然而，迄今为止，已有的高性能热电材料仅实现了柔性，而未能实现真正的弹性。
在此，来自北京大学的雷霆等研究者首次提出一种n 型热电弹性体，将均匀的体相纳米相分离、热激活交联以及定向掺杂集成于同一材料体系中。相关论文以题为“n-Type thermoelectric elastomers”于2025年08月13日发表在Nature上。
热电转换是一种可持续能源收集技术，能够将温度梯度直接转化为电压，反之亦然。随着可穿戴电子与柔性生物电子需求的不断增长，具有柔软性、弹性并能像皮肤一样贴合的热电发电器（TEG）成为这类电子器件的理想电源。与热电子电容器和热电池相比，热电技术因其低内阻与高功率密度，在低品位热能收集中更具潜力。类皮肤 TEG 需具备低弹性模量和高拉伸形变能力，并在结构上具有足够的自由度，以确保与三维（3D）复杂形状物体或人体充分热接触，从而提升热收集效率，同时兼顾舒适性与形状适应性。
然而，尽管热电转换效率已有显著提升，现有 TEG 在应对人体运动等需要承受 5–50% 应变的反复机械变形时，表现仍不理想。热电性能通常以无量纲优值 ZT = σS²T/κ 评估，其中 σ 为电导率，S 为塞贝克系数，κ 为热导率。早期研究重点提升热电材料的机械柔性，这是可穿戴应用可行性的关键条件。基于无机碲化铋的材料在室温下具备较高热电性能与优异柔性，已广泛用于柔性 TEG 制备。近期还出现了本征延展性的无机热电材料（如 (AgCu)₀.₉₉₈Se₀.₂₂S₀.₀₈Te₀.₇），其在 300 K 时的 ZT 值可达 0.45。
相比之下，尽管掺杂型半导体聚合物具有低热导率、良好机械柔性、低毒性与大面积溶液加工性等优势，其热电性能仍然受限。基于半导体聚合物的弹性电子器件因在皮肤传感器与可植入生物电子中的潜力而受到广泛关注。目前已发展出弹性导体、发光二极管及晶体管等器件。此前也有研究通过分子设计或与弹性体共混等方法开发可拉伸的 p 型热电聚合物，但这类材料的功率因子（PF）偏低、弹性不足，难以满足实际 TEG 应用需求。此外，制备可拉伸或具弹性的 n 型热电材料更具挑战，主要由于 n 掺杂剂还原能力弱、分子尺寸大而引起的能量无序和稳定性差。
在本文中，研究者报道了首批 n 型热电弹性体（TEE）之一，通过均匀体相纳米相分离、热激活交联以及定向掺杂实现。该 TEE 兼具优异的橡胶般恢复能力与高 ZT 值（300 K 时达 0.49），并表现出独特的应变不敏感热电性能。与依赖复杂结构、柔性互连且因刚性支柱导致填充率低的传统无机可拉伸 TEG 不同，基于 TEE 的发电器可实现更优异的表皮贴合性，同时保持高填充率、降低热阻与热损失。
图1 研究者针对TEEs的设计策略示意图。
图2 热电聚合物/弹性体复合材料的形态和机械性能表征。
图3 掺杂选择和热电性能表征。
图4 制造和测量内在弹性的TEGs。
综上所述，研究者提出了一种普适性策略，通过三项协同设计原则—（1）均匀的体相纳米相分离；（2）热激活交联；（3）策略性掺杂剂选择——实现了热电弹性体（TEE）的构筑，并同时优化了机械性能与热电性能。由此获得的TEE 构建了兼具表皮贴合性与潜在高效热能收集能力的弹性 TEG 材料平台，为下一代自供能可穿戴电子中实现人体兼容力学性能与高效能量收集之间的平衡提供了切实可行的途径。
参考文献Liu, K., Wang, J., Pan, X. et al. n-Type thermoelectric elastomers. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09387-z原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09387-z
