摘要：大家好！今天一起来了解一种具有集成冷却和加热功能的自愈柔性热电器件。它在可穿戴电子设备和个人热管理领域有着巨大潜力，能实现热能与电能的直接转换。不过目前这类器件面临诸多挑战，像功能模块扩展困难、组装不便等。接下来，咱们就一起看看科研人员是如何突破这些难题的。
大家好！今天一起来了解一种具有集成冷却和加热功能的自愈柔性热电器件。它在可穿戴电子设备和个人热管理领域有着巨大潜力，能实现热能与电能的直接转换。不过目前这类器件面临诸多挑战，像功能模块扩展困难、组装不便等。接下来，咱们就一起看看科研人员是如何突破这些难题的。
*本文只做阅读笔记分享*
一、CD-TED的设计与制备
这种热电器件叫CD-TED，以往的热电器件用焊接金属电极连接热电腿，存在机械灵活性差和电阻高的问题。而CD-TED把热电腿嵌入二硫键交联聚氨酯（DSPU），用液态金属电极连接，形成电串联、热并联的结构，电阻仅3.18Ω。
科研人员还采用了选择性封装策略，用碳纳米管掺杂的DSPU（CD）封装液态金属电极，减少了电极处DSPU的局部热阻，使热电腿两端的温差提高了185%，热电性能提升了171%。同时，他们还优化了封装层厚度，综合考虑性能和实际应用，选择了1mm的厚度，并且确定填充因子为26%时输出功率最佳。
在制备过程中，先倒入纯DSPU制作绝缘中心层，交替嵌入p/n热电腿并用液态金属电极连接，再用高导热的碳纳米管掺杂DSPU封装液态金属电极，其余部分用普通DSPU封装。虽然这次是手动组装验证技术效果，但未来可以用自动化设备实现大规模生产。而且，CD-TED自愈能力出色，受损后，DSPU和液态金属的特性让断裂面能迅速重新结合，恢复机械和电气功能。它还非常灵活，能随意扭转、弯曲，贴合各种不规则表面，比如人的手臂。
二、CD-TED在不同条件下的热电性能
为测试CD-TED给便携式电子设备供电的能力，科研人员用50对p/n热电腿的器件进行实验，在5-30K的温差下测试其电压输出和发电性能。结果显示，它的开路电压最高可达258mV，输出功率最大为5.55mW，足以给助听器、健康监测器等供电。
通过数值模拟发现，普通DSPU热导率低，会阻碍传热，而CD能有效减少热耗散，使热电腿两端温差达到15.21K，是未选择性封装器件的1.85倍。这使得CD-TED的热电性能大幅提升，开路电压比未封装的高64%，功率密度高171%。和其他先进的柔性热电器件相比，CD-TED的归一化功率密度达到3.14μW⋅cm−2⋅K−2，表现十分优异。
而且，CD-TED在低温和潮湿环境下性能也很稳定。在冷冻环境中，即使温度降到-50°C，开路电压仍能保持在14mV左右；测试环境湿度在45%-95%变化时，开路电压几乎不变，这得益于DSPU封装层良好的疏水性。
三、CD-TED的机械稳定性和热可靠性
对于可穿戴设备来说，机械稳定性和热可靠性非常重要。科研人员对CD-TED进行了循环弯曲测试，在x和y方向弯曲半径为1.5cm的情况下，经过2000次弯曲循环，其电压和功率与初始值的比值保持稳定，电阻变化率也在5%以下。
CD-TED的弯曲刚度和拉伸性也很出色，能以很小的力弯曲，弯曲半径可达3.8mm，不同弯曲半径下电阻几乎不变。它的拉伸性也不错，最大应变25%时仍能保持稳定和功能，在10%应变下拉伸2000次性能也没有明显下降。
在热可靠性测试中，160分钟内输出功率和内阻都很稳定。把它戴在人手臂上测试发现，佩戴者坐着和工作时，CD-TED能分别产生7.5mV和13.5mV的开路电压，说明它能利用人体热量为低功耗可穿戴设备供电。不过，自然对流下热电腿两端的平衡温差只有约1K，可以通过增加热电腿高度或改变填充材料来提高温差，进而提升输出性能。
四、CD-TED的自愈性能
CD-TED的液态金属电极流动性和DSPU网络内化学键的重组，赋予了它出色的自愈特性。DSPU材料的自愈机制是其内部的共价键（二硫键）和氢键共同作用的结果。氢键在室温下短时间内自愈效率高，之后主要靠基于IP的链段插入芳香族二硫键复分解产生的内聚力实现进一步自愈。实验显示，DSPU材料切割后重新组合，2小时后性能曲线就和原始材料基本重合，而且存储两周后自愈效率也没有明显下降。
在实际测试中，CD-TED给集成升压电压转换器和发光二极管（LED）的电路板供电，当器件被切断时LED熄灭，重新组装并在室温下放置一小时后，CD-TED自愈，LED再次亮起。自愈后的器件灵活性和原器件相当，经过2000次弯曲循环电阻也没有明显变化，输出电压也和自愈前一致。
五、CD-TED的模块组装
CD-TED不仅能自愈，还具备模块组装潜力。把九个单独的CD-TED模块组装成新器件，只需切断设备终端露出液态金属电极，让它们接触就能完成组装。新组装的器件功能完好，灵活性和适应性都很好。而且，随着组装模块增多，开路电压线性增加，说明这种组装方式可行，还能保持性能完整。用户可以根据具体需求，通过串联或并联模块，定制器件的形状、结构、输出电压和功率。
利用珀尔帖效应，CD-TED还能用于冷却。搭建塔状结构可以增强冷却能力，两层热电层的CD-TED冷却效果较好，虽然比单层的灵活性略有下降，但仍能满足使用要求。三层及以上会影响灵活性，不适合可穿戴应用。通入直流电后，电流越大，器件冷端和周围环境的温差越大，两层塔状结构的器件在电流达到0.8A时，最大温差可达6.2K。并且，模块组装和塔状结构相结合，能让热电设备在保持灵活性的同时，满足不同的弯曲需求。
六、研究总结与展望
这项研究开发的CD-TED是一种创新的热电设备，它灵活、能自愈，还可以模块化组装，性能十分出色。用碳纳米管掺杂的自愈材料选择性封装液态金属电极，提高了热电腿的传热效率，同时保持了自愈性能，使功率输出比未封装的器件大幅提高171%。有限元分析也验证了这种材料对传热能力和热电性能的提升作用。
CD-TED的这些特性拓宽了柔性热电器件的应用范围，在可穿戴能量收集和温度调节领域有很大的应用潜力。未来，科研人员会继续优化设计，在保持自愈能力和灵活性的同时，进一步提高输出性能，让这类器件更好地服务于人们的生活。
七、一起来做做题吧
1、关于 CD-TED 设计与制备，以下说法正确的是
A. 采用焊接金属电极互连 TE 腿
B. 选择性封装策略降低了 TE 腿两端温差
C. 最终选择 1mm 厚的封装层
D. 填充因子对输出功率无影响
2、CD-TED 的热电性能表现为
A. 最大开路电压为 156.5mV
B. 功率密度比 D-TED 低
C. 在低温和潮湿环境下性能不稳定
D. 选择性封装提高了热电性能
3、在机械稳定性和热可靠性方面，CD-TED
A. 弯曲 2000 次后性能显著下降
B. 弯曲刚度大，不易弯曲
C. 拉伸应变超过 25% 时性能稳定
D. 热可靠性测试中输出功率稳定
4、关于 CD-TED 的自愈合特性，说法正确的是
A. 仅由液态金属电极决定
B. 自愈合后性能大幅下降
C. 室温下 2h 内主要靠氢键实现自愈合
D. 自愈合后无法再弯曲
5、CD-TED 的模块化组装特点包括
A. 组装后性能下降
B. 只能进行单层组装
C. 可根据需求个性化组装
D. 无法用于冷却应用
参考文献：
Sun, X., et al. Modular assembly of self-healing flexible thermoelectric devices with integrated cooling and heating capabilities. Nat Commun 16, 4220 (2025).
来源：知识泥土六二三
