中国科学院工程热物理所张挺研究员团队——热电纤维材料的最新进展研究 | MDPI Materials

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通讯作者介绍

张挺 研究员 | 中国科学院

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张挺，中国科学院工程热物理研究所研究员，博士生导师。中科南京未来能源研究院新技术中心主任。2014年，获北京师范大学博士学位；2014年至2015年，任中国科学院电工研究所助理研究员；2015年至2019年，任新加坡南洋理工大学研究员；2019年，任中国科学院工程热物理研究所研究员。多年来致力于高性能热电能量转换材料与器件、微纳热传导技术、储氢技术以及基于先进功能纤维的可穿戴柔性能源和传感器件等方面的研究工作。近年来，主持了国家自然基金委、中国科学院、国防科技创新特区、江苏省双碳专项及新加坡国家级“先进功能纤维”的研究项目。创新性的提出了纤维内组装热电、光电和压电等柔性功能纤维器件，取得了一系列优秀成果，并在多个学术期刊发表论文50余篇，获授权3项国际专利和10项中国专利，编写1部英文专著。兼任InfoMat学术期刊青年编委、Materials期刊编委、Nanomaterials期刊客座编辑、中国材料研究学会热电材料分会理事等。

郑兴华 研究员 | 中国科学院

郑兴华，中国科学院工程热物理研究所研究员，博士生导师。2012年，获中国科学院大学博士学位；2015年~2016年，在美国加州大学河滨分校任访问学者。主要从事微纳尺度热电物性表征技术开发及热电输运机理研究工作。主持和参与国家自然科学基金、中科院仪器研制、科技部纳米专项课题、中科院先导专项课题等项目。在多个学术期刊发表论文86篇。获授权国家发明专利17项，软件著作权1项，编写中英文专著章节3章。担任国家自然科学基金委青年及面上项目函评专家和科技部重点研发计划会评专家。

第一作者介绍

申亚南 博士研究生 | 中国科学院

申亚南，中国科学院工程热物理所博士研究生。主要研究方向为热电能量转化技术。目前以第一作者在多个学术期刊发表论文2篇，获授权发明专利4项。

文章导读

物联网技术的发展极大地激发了可穿戴电子产品的创造力，可穿戴电子产品在健康监测、无线通信、柔性显示、移动传感器等方面显示出巨大的潜力。但目前可穿戴柔性电子器件仍面临着能量不能长期稳定供给的问题。此外，人体热舒适性对身心健康、生命安全、社会生产效率也有着重要意义。仅在皮肤周围的微环境中调节温度即可营造人体热舒适的空间，从而避免大规模的空调和通风系统带来不必要的能源浪费。热电材料可以直接实现热能和电能的互相转化，在可穿戴供能和温度调节方面具有广阔发展潜力。据此，来自中国科学院工程热物理的张挺研究员及其团队在Materials期刊发表文章，研究了热电纤维材料在性能、器件结构和应用等方面的最新进展，对热电纤维的发展具有重要意义。

研究过程与结果

大多数柔性热电器件都是基于柔性弹性体基底的块状热电元件或热电薄膜构建而成的。虽然这些柔性热电器件已经被广泛研究，但它们仅能在一个方向上弯曲，且透气性较差，限制了它们在可穿戴热电器件中的应用。与薄膜和块体相比，热电纤维具有独特的结构特征 (大长径比和高柔韧性) 和编织能力。基于纤维的热电材料将是自供电系统和主动式冷却织物最有前途的选择之一。将热电纤维材料编织成织物，利用外界环境与人体皮肤的温差为穿戴电子设备供能或者在热电纤维中通入电流，实现人体体温调节。本文研究了最先进的纤维基热电材料的性能和器件结构，主要包括制备方法、主要特性、功率性能以及潜在应用等。

热电发电机 (Thermoelectric Generator, TEG) 按照材料体系可分为以下几类：无机纤维、有机纤维和无机/有机复合纤维。无机热电纤维主要包括Bi-Sb-Te/Se、SnSe、PbTe、Ag2Te以及氧化物材料。目前，基于无机纤维材料的制备方式已开发出热拉伸方法和表面涂覆的方式，具有出色的热电性能，但是普遍比较坚硬并且价格昂贵。有机材料的质量较轻，具有独特的柔韧性、易加工性和低热导率。以PEDOT:PSS为代表的有机热电纤维可以通过凝胶化、湿纺、浸渍等方式制备。通过结合无机材料和有机聚合物的共同优势，复合材料纤维有望成为有前途的热电纤维材料。在有机热电材料中加入碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料，其界面之间产生的能量过滤效应，优化了电/热输运过程，提高了热电性能。碳纳米材料的引入还可以增加有机材料的杨氏模量，提升材料的机械性能。

热电纤维器件在传感器、热电发电机和制冷方面展现了一定的应用潜力。将纤维编织成柔性织物，可以在二维弯曲平面内实现高灵敏性和精确的温度传感。此外，热电纤维还可设计不同的结构用于可穿戴温差发电和热电制冷，包括纱线/细丝/纤维形式的一维结构,在织物上涂覆有机或无机TE材料的二维结构,以及通过编织方式组装成纺织品三维结构。

热电纤维材料。

热电织物。

研究总结

纤维基热电材料在柔性可穿戴领域有着广阔的应用前景，本文总结了热电纤维和器件的未来发展潜能，包括以下几个方面：

热管理技术

具有柔性三维结构的大面积热电织物可以变形和弯曲，能够覆盖具有任意几何形状的曲面。基于热电织物的制冷装置可以自动调节人体体温，并为未来军事应用中的红外隐身 (热伪装) 等方面拓展了应用前景。

医疗健康和健康监测

纺织电子的应用主要是在柔性传感方面。将热电纤维与其他传感器相结合，如应变、压力、光学、气体等。通过监测人体的一些主要生理参数，包括体温、脉搏、心电、运动特征、外界环境等，来判断人体当前的生理状态，为突发疾病或其他高危情况提供预警信号。

可穿戴发电和系统集成

可继续开发高热电性能且能够适合人体温度范围的热电纤维，以实现柔性可穿戴供能，并且可以通过优化器件尺寸、几何形状和编织方式来改善热电纤维器件的性能。随着微电子技术的快速发展，将热电纤维与柔性电池以及其他可穿戴电子产品集成，也将是织物电子的必然发展方向。

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原文出自Materials期刊

Shen, Y.; Wang, C.; Yang, X.; Li, J.; Lu, R.; Li, R.; Zhang, L.; Chen, H.; Zheng, X.; Zhang, T. New Progress on Fiber-Based Thermoelectric Materials: Performance, Device Structures and Applications. Materials 2021, 14, 6306.

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748 (Q1*)
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

* Q1 (17/80) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"

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