深圳大学刘卓鑫/陈光明教授综述：聚合物基复合材料助力柔性热电器件发展

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近二十年来，便携式和用于可穿戴应用的柔性电子器件的研究快速增长，其中能源材料作为各种电子器件不可缺少的部件而备受关注。目前被广泛采用的电池和超级电容器作为储能系统，由于其频繁充电/更换/维护的要求、结构的复杂性以及固有的安全性问题，在高度集成的柔性电子的应用中可能会存在着一些限制。热电器件具有无振动、无噪音、无气体排放和寿命长等优点，因而有望成为部分高度集成、能源自主和生态友好型电子产品的可靠替代电源。

要实现柔性热电器件的实际应用，应重视两个方面：（1）开发具有本征高ZT值（或PF值）的高性能热电材料；2）合理设计组装高性能柔性热电器件。尽管在过去几十年中取得了显著的进步，但目前热电材料的ZT值仍远不能令人满意(室温下通常<1)。如果期望获得接近卡诺效率的实际理想器件效率，目标ZT值应大于3。因此，对于理想的热电材料来说，应具备高Seebeck系数S、高电导率σ和低热导率κ。然而，要同时满足这三个方面的需求是极其困难的，因为S、σ和κ这三个参数相互依赖、存在着权衡，改善其中一个参数的策略可能会不可避免地引起其他参数的负面变化。一个有望规避这种困境的解决方案是构建复合材料，将聚合物的低热导率与其他热电填料（比如无机半导体或碳纳米颗粒）的高Seebeck系数和/或高电导率结合起来。这种复合并不仅仅是性能上的简单混合相加，因为两种或多种材料之间引入的界面可能会形成额外的载流子通路，并引发能量过滤效应，从而达到协同增强热电性能的目的。再加上聚合物基体固有的高柔韧性，可以方便制备高性能的柔性热电材料。此外，在器件设计和组装方面，目前文献展示的柔性热电器件只能提供几微瓦到几毫瓦的输出功率，因而要最大限度地提高输出功率以及优化能量的利用效率。具体来说，一方面，热电器件往往会采用更多的热电腿串联来产生高的输出电压，不同的使用场景要求的热电器件的结构也不尽相同。这些都会使相应的器件设计复杂化，对器件层面的柔性提出了更高的要求；另一方面，热电器件的结构和热电腿的排列会极大地影响器件的效率，因为它们直接关系到温度梯度的维持以及热损耗和内部热阻/电阻的优化。因此，对热电腿的尺寸和排列、基体的成分和厚度、电路的布置等器件参数进行全面考虑、实施合理的器件设计也至关重要。

因此，大力发展高性能的聚合物基复合热电材料并对相应器件进行合理设计，有望助力柔性热电器件的实际应用。在本综述中，作者首先介绍了聚合物基复合热电材料的一些基本原理，然后根据填料的种类详细总结了聚合物基复合热电材料的最新进展，并概述了能够有效提高聚合物基复合热电材料性能的一些策略。随后，作者介绍了基于聚合物基复合材料的柔性热电器件的最新设计策略，并对这一蓬勃发展的领域作出了展望。该论文以“Advancing Flexible Thermoelectric Devices with Polymer Composites”为题发表在Advanced Materials Technologies上，论文的第一作者为深圳大学材料学院刘卓鑫助理教授，通讯作者为深圳大学材料学院陈光明特聘教授。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.202000049

作者简介

刘卓鑫博士，深圳大学材料学院助理教授。2012年和2015年于四川大学分别获得学士、硕士学位，2019年于香港城市大学获得博士学位。主要从事的研究领域为柔性能源器件，包括有机/无机复合热电器件、超级电容器、水系金属离子电池等。目前已在 Chem. Soc. Rev.（一作）、Adv. Energy Mater. （一作）、Nano Energy（一作2篇）和Energy Storage Mater. （一作） 等期刊上发表论文40多篇，申请美国专利2项。

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