隨著移動電子產品的迅速普及和更新換代，可穿戴式供電器件成為當下研究熱點。溫差發電機（熱電器件）可利用人體和周圍環境之間的溫差持續發電，無任何傳動部件，有望為移動電子產品提供永久電源。織物智能化配置無疑是實現熱電器件可穿戴性的最有效途徑。然而，傳統織物的二維結構只能收集平面內的熱量，無法匹配人體與環境的熱流方向，並且難以實現持續供電與肢體動作的兼容性，從而限制熱電器件的可穿戴應用，成為困擾研究者多年的問題。儘管以絕緣基底作為支撐能有效改善熱流方向匹配問題，但支撐基底犧牲穿戴體驗，同時造成熱量分流，降低輸出。
針對熱電器件難以實現真正可穿戴應用的問題，東華大學江莞教授、王連軍教授和美國西北大學G.Jeffrey Snyder教授合作 ，巧妙利用彎曲纖維彈性力關係實現熱電模塊自支撐，構築了三維可拉伸熱電織物。該熱電器件的拉伸應變可達80%，能實現持續供電與人體肢體動作的兼容性；基於熱設計優化和結構優化，在44K溫差下，輸出功率密度可達70mWm-2；同時，可滿足熱電模塊非可視化的大面積熱量收集。所構築三維熱電織物穿戴體驗良好，實現了適合人體運動的熱電器件的可穿戴應用。相關論文以“熱電纖維編織構築可拉伸熱電織物基發電機”為題，發表在《自然通訊》(2020,11,572)上。材料學院博士生孫婷婷為第一作者。
在這項工作中，研究團隊首次提出基於靜電噴射方法將π型熱電單元精確集成到碳納米管纖維上。靜電噴射含不飽和鍵的摻雜劑可實現碳納米管的高效n型摻雜及準確定位。
圖1.熱電纖維製備過程示意圖及其性能.a-e, 熱電纖維製備過程；f,熱電纖維性能
進一步利用包纏技術有效避免熱電模塊短路，有限元分析及實際測試結果表明，絕緣包纏層可增加熱電臂兩端溫差及流經熱電臂的熱流，從而提升輸出性能。
圖2.有限元分析結果.a,溫差；b, 流經熱電臂的熱流
器件集成上，研究團隊巧妙利用嵌套線圈之間彈性力關係 使熱電模塊自支撐於三維空間，實現人體與環境熱流方向上的熱端並聯電端串聯，從而構築三維可拉伸熱電織物，該器件無需支撐基底，可避免輸出性能和穿戴體驗的犧牲。在拉伸和拉伸恢復過程中熱電模塊直立角度變化從而賦予熱電器件>80%的拉伸應變能力及應變恢復能力，且不損耗輸出性能。基於此，該器件實現了持續供電與人體肢體動作的兼容性。最終，經結構優化後，器件的最大輸出功率密度可達35μWm-2K-2。
圖3.熱電器件集成示意圖及其性能. a,熱電器件集成
示意圖；b,熱電器件拉伸過程示意圖；c,拉伸應變對輸出電壓的影響；d,熱電器件持續供電與人體肢體動作兼容性；e,熱電器件輸出功率密度.本工作提出的靜電噴射方法對於製備π型碳納米管基熱電模塊具有普適性；巧妙利用彎曲纖維彈性力關係使絕緣包纏的熱電模塊自支撐，不僅有效解決了傳統器件熱流方向的匹配問題，而且滿足持續供電與人體肢體動作的兼容性，實現了熱電臂微型化緊湊集成及熱電模塊非可視化的大面積熱量收集，同時巧妙整合了織物的保溫功能和熱電器件的傳熱需求，極大提高了熱電器件的可穿戴性和輸出性能，輸出功率密度可達35μWm-2K-2。本工作為柔性熱電器件的真正可穿戴應用提供了可行的新途徑。該研究得到了國家自然科學基金項目和上海市科委項目的資助。
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14399-6
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