南工大刘庆丰和昆士兰科技大学陈志刚Adv. Funct. Mater.：用于个人热管理的多功能可穿戴热电技术

【引言】

随着可穿戴电子设备和节能技术需求的不断增加，个人热管理可以利用人体废热来发电或对人体进行精确控温来实现个人热舒适，已经引起了广泛的研究兴趣。与其他个人热管理技术（如辐射冷却技术，压电技术等）相比，热电技术能够实现热与电的直接转换，从而可实现能量收集和个人温度调节的功能转换。热电式个人热管理的能量转换效率主要通过热电材料无量纲的品质因数zT =S²σT/κ来评估的，其中S，σ，T和κ分别为塞贝克系数，电导率，绝对温度和总热导率。

【成果简介】

随着半导体工业和可穿戴电子器件的快速发展，热电式个人热管理引起了广泛的研究兴趣。本文首先强调了热电式个人热管理相对于其他个人热管理技术的独特优点，并系统总结了热电式个人热管理的关键参数和基本功能。然后，从材料设计到可穿戴设备设计的角度，综述了热电式个人热管理的研究进展。最后，指出了热电式个人热管理的主要挑战和未来的研究方向，即需要高性能的柔性热电材料和合适的器件设计。本文将对热电式个人热管理的研究提供一个系统的认识和指导。南京工业大学刘庆丰教授与澳大利亚昆士兰科技大学陈志刚教授将此成果以“Multifunctional Wearable Thermoelectrics for Personal Thermal Management”为题发表在国际著名期刊Advanced  Functional Materials上。南京工业大学硕士研究生李磊和昆士兰大学刘伟迪博士为共同第一作者，刘庆丰教授和陈志刚教授为论文的共同通讯作者。

【图文导读】

图1. 热电式个人热管理的功能，原理及其独特的优势

a) 热电技术实现个人热管理中的个人温度调节和能量收集功能，b) 塞贝克效应和珀尔帖效应的示意图，c) 热电技术应用于个人热管理的独特优势。

图2. 人体皮肤温度对热舒适的影响

人体皮肤的温度对应的热舒适状态：a) 冷，b) 凉，c) 热舒适，d)暖，e) 热。

图3. 热电式个人热管理用于间接温度调节。

a) 热电式个人热管理在冷、热模式下工作示意图，b) 热电系统的3D视图，c) A1和A2管道系统设计原型，d) B管道系统设计原型，e) 热电式个人热管理人体测试的时间线，f) 热电式个人热管理在冷却实验中平均皮肤温度的变化，g) 热电式个人热管理在加热实验中平均皮肤温度的变化。

图4. 热电式个人热管理用于直接温度调节。

a) 柔性可穿戴热电器件在弯曲表面上的照片，b) 用于个人温度调节的柔性可穿戴式热电器件的原理图设计说明， 热电腿由柔性铜电极连接，c) 将柔性热电器件与臂带、薄多孔网状织物和柔性电池集成的示意图和照片，d) 集成热电臂带在冷却模式下(160mA电流下)热侧红外图像，e) 显示去除集成热电臂带后的剩余冷却效果的红外图像，f)皮肤温度在热电臂带开启和关闭时随环境温度的变化。

图5. 热电式个人热管理用于能量收集。

a) 使用热电式个人热管理为医疗设备供电的示意图，b) 利用Li-S电池为葡萄糖传感器供电的柔性热电式个人热管理的原理设计图和照片，c) 通过热电式个人热管理实现自供电的手表照片，d) 用于手表上自供电的可穿戴热电式个人热管理设计原理图。

图 6. 室温下先进热电材料的zT值。

a) 非柔性热电材料，b) 柔性热电材料。

图 7. 用于热电式个人热管理的散热器。

a) 用于热电式个人热管理的柔性散热器与热电器件集成的原理图，b) 热电式个人热管理集成相变材料散热器的性能测试，c) 采用相变材料散热器和常规金属散热器的热电式个人热管理的电压输出随时间的变化，d) 为心电图系统提供电源的柔性聚合物散热器与热电器件集成示意图，e) 集成柔性聚合物基散热器和柔性金属散热器的热电式个人热管理的功率密度随时间的变化。

图 8. 可穿戴块体热电器件设计

a) 利用柔性电极设计柔性块体基热电器件的原理图，b) 相对内阻率(ΔR/R0)随弯曲半径的变化，c) 可穿戴热电器件在室内坐、室内行走、室外行走三种物理状态下的降温效果，d) 柔性可穿戴块体器件的照片，e) 可穿戴热电器件的输出电压和输出功率随时间的变化，f) 提出了一种扩展柔性块体基热电器件的可穿戴应用

图 9. 利用织物基底设计可穿戴块体基热电器件

a) 在玻璃织物上丝网印刷Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的工艺示意图，b) 玻璃织物上沉积的Bi₂Te₃基热电材料的照片，c) 穿戴在手腕上时输出性能测量，d) 输出电压随温差的变化，e) 在丝织物上直接沉积Bi₂Te₃和Sb₂Te₃制备可穿戴热电器件示意图，f) 穿戴在手臂上时输出性能测量。

图 10. 可穿戴薄膜基热电器件设计

a) 在商用织物上制备的PEDOT:PSS基热电器件的照片，b) 输出性能测量，c) 在聚酰亚胺薄膜基底上利用丝网印刷技术制作PEDOT:PSS/Bi₂Te₃复合薄膜基热电器件的照片，d) 可穿戴应用过程中的温差示意图，e) 热电输出性能，f) 弯曲测试结果，g) 设计的p型PEDOT:PSS和n型康铜的照片，h) 垂直结构的薄膜基热电器件，i) 在站立或步行条件下，可穿戴热电器件的输出性能测试。

图 11. 3D结构的可穿戴纤维基热电器件设计

a) 利用热电纤维和3D织物基底的纤维基热电器件的结构设计，b) 器件设计流程示意图，c) 可穿戴热电器件的输出性能测量，d) 输出电压随时间的变化，插图展示了器件稳定 性测试的结果，e) 间隔织物底端和顶端的温差随流经热电器件电流的变化。

图 12. 使用商用织物设计可穿戴纤维基热电器件

a) PEDOT:PSS/Te复合纤维制作过程的示意图，b) 纤维基热电器件的示意图，c) 成年人佩戴可穿戴热电器件的红外图像，d) 和e) 可穿戴热电的输出电压和输出功率随温差的变化。 

【总结】

热电式个人热管理具有轻松转换冷热模式、控温精确、可穿戴、环保等优点，可实现个人体温调节和人体能量收集的功能。本文首先总结了热电式个人热管理的基本原理和功能以及典型应用。然后，我们系统地讨论了针对个人热管理的热电材料和器件设计策略，考虑到热电式个人热管理专注于可穿戴式近室温应用(~300 K)，合适的热电式个人热管理材料需要高柔性和高近室温热电性能，我们分别可穿戴块体基，薄膜基和纤维基热电器件设计进行了讨论。最后我们指出了热电式个人热管理的未来研究方向以及存在的挑战。

刘庆丰教授简介：

刘庆丰，南京工业大学化工学院教授，江苏特聘教授。主要从事碳与非碳基功能材料的控制制备及其器件应用等方面的基础研究。2009年1月博士毕业于中国科学院金属研究所；2009-2012日本九州大学应用化学系学术研究员、特任助教；2012-2014美国凯斯西储大学高分子科学与工程系研究助理；2014-2017美国堪萨斯大学物理与天文系高级助理研究员；2018年加入南京工业大学化工学院材料化学工程国家重点实验室，教授。主持包括国家自然科学基金面上项目、江苏省特聘教授资助项目、江苏高校优势学科建设工程资助项目、材料化学工程国家重点实验室资助项目、中科院炭材料重点实验室资助项目等多项基金项目。迄今已在Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、 Carbon、ACS. Appl. Mater. Interfaces等国际学术期刊上发表学术论文60多篇。受邀担任20余种国际期刊(包括Adv Mater、ACS Nano、Adv. Funct. Mater、 ACS Energy Lett、ACS Appl. Mater. Interfaces, Carbon等)审稿专家。

陈志刚教授简介：

陈志刚教授是澳大利亚昆士兰科技大学能源学科讲席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials），昆士兰大学和南昆士兰大学荣誉教授，科睿唯安 2020、2021年度“高被引科学家”。师从成会明院士和逯高清院士。2008年申请到“澳大利亚研究理事会博士后研究员”职位，前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，荣誉教授，后转入南昆士兰大学担任副教授（2016）和教授（2018）。目前是昆士兰科技大学能源学科讲席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials， 2021）。先后主持共计二千万澳元的科研项目，其中包括8项澳大利亚研究委员会、1项澳大利亚科学院、2项州政府、10项工业项目和10项校级的科研项目。目前为止，共指导17名博士生和3名硕士研究生，其中已毕业博士生7名和硕士生4名。在在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、 Nat. Commun.、Chem. Rev. 、Prog. Mater. Sci.、 Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed. 等国际学术期刊上发表340余篇学术论文，SCI引用20500余次，H-index达到73。陈志刚教授是Journal of Materials Science and Technology副编辑，国际期刊Progress in Natural Science; Journal of Advanced Ceramics; Rare Metal; Energy Materials Advances; Microstructure; Tungsten; Electronics; and Energies的编委。

文献链接：Multifunctional Wearable Thermoelectrics for Personal Thermal Management. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202200548