南工大劉慶豐和昆士蘭科技大學陳志剛Adv. Funct. Mater.：用于個人熱管理的多功能可穿戴熱電技術

【引言】

隨著可穿戴電子設備和節能技術需求的不斷增加，個人熱管理可以利用人體廢熱來發電或對人體進行精確控溫來實現個人熱舒適，已經引起了廣泛的研究興趣。與其他個人熱管理技術（如輻射冷卻技術，壓電技術等）相比，熱電技術能夠實現熱與電的直接轉換，從而可實現能量收集和個人溫度調節的功能轉換。熱電式個人熱管理的能量轉換效率主要通過熱電材料無量綱的品質因數zT =S²σT/κ來評估的，其中S，σ，T和κ分別為塞貝克系數，電導率，絕對溫度和總熱導率。

【成果簡介】

隨著半導體工業和可穿戴電子器件的快速發展，熱電式個人熱管理引起了廣泛的研究興趣。本文首先強調了熱電式個人熱管理相對于其他個人熱管理技術的獨特優點，并系統總結了熱電式個人熱管理的關鍵參數和基本功能。然后，從材料設計到可穿戴設備設計的角度，綜述了熱電式個人熱管理的研究進展。最后，指出了熱電式個人熱管理的主要挑戰和未來的研究方向，即需要高性能的柔性熱電材料和合適的器件設計。本文將對熱電式個人熱管理的研究提供一個系統的認識和指導。南京工業大學劉慶豐教授與澳大利亞昆士蘭科技大學陳志剛教授將此成果以“Multifunctional Wearable Thermoelectrics for Personal Thermal Management”為題發表在國際著名期刊Advanced? Functional Materials上。南京工業大學碩士研究生李磊和昆士蘭大學劉偉迪博士為共同第一作者，劉慶豐教授和陳志剛教授為論文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. 熱電式個人熱管理的功能，原理及其獨特的優勢

a) 熱電技術實現個人熱管理中的個人溫度調節和能量收集功能，b) 塞貝克效應和珀爾帖效應的示意圖，c) 熱電技術應用于個人熱管理的獨特優勢。

圖2. 人體皮膚溫度對熱舒適的影響

人體皮膚的溫度對應的熱舒適狀態：a) 冷，b) 涼，c) 熱舒適，d)暖，e) 熱。

圖3. 熱電式個人熱管理用于間接溫度調節。

a) 熱電式個人熱管理在冷、熱模式下工作示意圖，b) 熱電系統的3D視圖，c) A1和A2管道系統設計原型，d) B管道系統設計原型，e) 熱電式個人熱管理人體測試的時間線，f) 熱電式個人熱管理在冷卻實驗中平均皮膚溫度的變化，g) 熱電式個人熱管理在加熱實驗中平均皮膚溫度的變化。

圖4. 熱電式個人熱管理用于直接溫度調節。

a) 柔性可穿戴熱電器件在彎曲表面上的照片，b) 用于個人溫度調節的柔性可穿戴式熱電器件的原理圖設計說明， 熱電腿由柔性銅電極連接，c) 將柔性熱電器件與臂帶、薄多孔網狀織物和柔性電池集成的示意圖和照片，d) 集成熱電臂帶在冷卻模式下(160mA電流下)熱側紅外圖像，e) 顯示去除集成熱電臂帶后的剩余冷卻效果的紅外圖像，f)皮膚溫度在熱電臂帶開啟和關閉時隨環境溫度的變化。

圖5. 熱電式個人熱管理用于能量收集。

a) 使用熱電式個人熱管理為醫療設備供電的示意圖，b) 利用Li-S電池為葡萄糖傳感器供電的柔性熱電式個人熱管理的原理設計圖和照片，c) 通過熱電式個人熱管理實現自供電的手表照片，d) 用于手表上自供電的可穿戴熱電式個人熱管理設計原理圖。

圖 6. 室溫下先進熱電材料的zT值。

a) 非柔性熱電材料，b) 柔性熱電材料。

圖 7. 用于熱電式個人熱管理的散熱器。

a) 用于熱電式個人熱管理的柔性散熱器與熱電器件集成的原理圖，b) 熱電式個人熱管理集成相變材料散熱器的性能測試，c) 采用相變材料散熱器和常規金屬散熱器的熱電式個人熱管理的電壓輸出隨時間的變化，d) 為心電圖系統提供電源的柔性聚合物散熱器與熱電器件集成示意圖，e) 集成柔性聚合物基散熱器和柔性金屬散熱器的熱電式個人熱管理的功率密度隨時間的變化。

圖 8. 可穿戴塊體熱電器件設計

a) 利用柔性電極設計柔性塊體基熱電器件的原理圖，b) 相對內阻率(ΔR/R0)隨彎曲半徑的變化，c) 可穿戴熱電器件在室內坐、室內行走、室外行走三種物理狀態下的降溫效果，d) 柔性可穿戴塊體器件的照片，e) 可穿戴熱電器件的輸出電壓和輸出功率隨時間的變化，f) 提出了一種擴展柔性塊體基熱電器件的可穿戴應用

圖 9. 利用織物基底設計可穿戴塊體基熱電器件

a) 在玻璃織物上絲網印刷Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的工藝示意圖，b) 玻璃織物上沉積的Bi₂Te₃基熱電材料的照片，c) 穿戴在手腕上時輸出性能測量，d) 輸出電壓隨溫差的變化，e) 在絲織物上直接沉積Bi₂Te₃和Sb₂Te₃制備可穿戴熱電器件示意圖，f) 穿戴在手臂上時輸出性能測量。

圖 10. 可穿戴薄膜基熱電器件設計

a) 在商用織物上制備的PEDOT:PSS基熱電器件的照片，b) 輸出性能測量，c) 在聚酰亞胺薄膜基底上利用絲網印刷技術制作PEDOT:PSS/Bi₂Te₃復合薄膜基熱電器件的照片，d) 可穿戴應用過程中的溫差示意圖，e) 熱電輸出性能，f) 彎曲測試結果，g) 設計的p型PEDOT:PSS和n型康銅的照片，h) 垂直結構的薄膜基熱電器件，i) 在站立或步行條件下，可穿戴熱電器件的輸出性能測試。

圖 11. 3D結構的可穿戴纖維基熱電器件設計

a) 利用熱電纖維和3D織物基底的纖維基熱電器件的結構設計，b) 器件設計流程示意圖，c) 可穿戴熱電器件的輸出性能測量，d) 輸出電壓隨時間的變化，插圖展示了器件穩定 性測試的結果，e) 間隔織物底端和頂端的溫差隨流經熱電器件電流的變化。

圖 12. 使用商用織物設計可穿戴纖維基熱電器件

a) PEDOT:PSS/Te復合纖維制作過程的示意圖，b) 纖維基熱電器件的示意圖，c) 成年人佩戴可穿戴熱電器件的紅外圖像，d) 和e) 可穿戴熱電的輸出電壓和輸出功率隨溫差的變化。?

【總結】

熱電式個人熱管理具有輕松轉換冷熱模式、控溫精確、可穿戴、環保等優點，可實現個人體溫調節和人體能量收集的功能。本文首先總結了熱電式個人熱管理的基本原理和功能以及典型應用。然后，我們系統地討論了針對個人熱管理的熱電材料和器件設計策略，考慮到熱電式個人熱管理專注于可穿戴式近室溫應用(~300 K)，合適的熱電式個人熱管理材料需要高柔性和高近室溫熱電性能，我們分別可穿戴塊體基，薄膜基和纖維基熱電器件設計進行了討論。最后我們指出了熱電式個人熱管理的未來研究方向以及存在的挑戰。

劉慶豐教授簡介：

劉慶豐，南京工業大學化工學院教授，江蘇特聘教授。主要從事碳與非碳基功能材料的控制制備及其器件應用等方面的基礎研究。2009年1月博士畢業于中國科學院金屬研究所；2009-2012日本九州大學應用化學系學術研究員、特任助教；2012-2014美國凱斯西儲大學高分子科學與工程系研究助理；2014-2017美國堪薩斯大學物理與天文系高級助理研究員；2018年加入南京工業大學化工學院材料化學工程國家重點實驗室，教授。主持包括國家自然科學基金面上項目、江蘇省特聘教授資助項目、江蘇高校優勢學科建設工程資助項目、材料化學工程國家重點實驗室資助項目、中科院炭材料重點實驗室資助項目等多項基金項目。迄今已在Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、 Carbon、ACS. Appl. Mater. Interfaces等國際學術期刊上發表學術論文60多篇。受邀擔任20余種國際期刊(包括Adv Mater、ACS Nano、Adv. Funct. Mater、 ACS Energy Lett、ACS Appl. Mater. Interfaces, Carbon等)審稿專家。

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陳志剛教授簡介：

陳志剛教授是澳大利亞昆士蘭科技大學能源學科講席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials），昆士蘭大學和南昆士蘭大學榮譽教授，科睿唯安 2020、2021年度“高被引科學家”。師從成會明院士和逯高清院士。2008年申請到“澳大利亞研究理事會博士后研究員”職位，前往澳大利亞昆士蘭大學機械與礦業學院工作，先后擔任研究員，高級研究員，榮譽副教授，榮譽教授，后轉入南昆士蘭大學擔任副教授（2016）和教授（2018）。目前是昆士蘭科技大學能源學科講席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials， 2021）。先后主持共計二千萬澳元的科研項目，其中包括8項澳大利亞研究委員會、1項澳大利亞科學院、2項州政府、10項工業項目和10項校級的科研項目。目前為止，共指導17名博士生和3名碩士研究生，其中已畢業博士生7名和碩士生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. 等國際學術期刊上發表340余篇學術論文，SCI引用20500余次，H-index達到73。陳志剛教授是Journal of Materials Science and Technology副編輯，國際期刊Progress in Natural Science; Journal of Advanced Ceramics; Rare Metal; Energy Materials Advances; Microstructure; Tungsten; Electronics; and Energies的編委。

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文獻鏈接：Multifunctional Wearable Thermoelectrics for Personal Thermal Management. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202200548