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  近二十年來，便攜式和用于可穿戴應(yīng)用的柔性電子器件的研究快速增長，其中能源材料作為各種電子器件不可缺少的部件而備受關(guān)注。目前被廣泛采用的電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于其頻繁充電/更換/維護(hù)的要求、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及固有的安全性問題，在高度集成的柔性電子的應(yīng)用中可能會(huì)存在著一些限制。熱電器件具有無振動(dòng)、無噪音、無氣體排放和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而有望成為部分高度集成、能源自主和生態(tài)友好型電子產(chǎn)品的可靠替代電源。

  要實(shí)現(xiàn)柔性熱電器件的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)重視兩個(gè)方面：（1）開發(fā)具有本征高ZT值（或PF值）的高性能熱電材料；2）合理設(shè)計(jì)組裝高性能柔性熱電器件。盡管在過去幾十年中取得了顯著的進(jìn)步，但目前熱電材料的ZT值仍遠(yuǎn)不能令人滿意(室溫下通常<1)。如果期望獲得接近卡諾效率的實(shí)際理想器件效率，目標(biāo)ZT值應(yīng)大于3。因此，對于理想的熱電材料來說，應(yīng)具備高Seebeck系數(shù)S、高電導(dǎo)率σ和低熱導(dǎo)率κ。然而，要同時(shí)滿足這三個(gè)方面的需求是極其困難的，因?yàn)镾、σ和κ這三個(gè)參數(shù)相互依賴、存在著權(quán)衡，改善其中一個(gè)參數(shù)的策略可能會(huì)不可避免地引起其他參數(shù)的負(fù)面變化。一個(gè)有望規(guī)避這種困境的解決方案是構(gòu)建復(fù)合材料，將聚合物的低熱導(dǎo)率與其他熱電填料（比如無機(jī)半導(dǎo)體或碳納米顆粒）的高Seebeck系數(shù)和/或高電導(dǎo)率結(jié)合起來。這種復(fù)合并不僅僅是性能上的簡單混合相加，因?yàn)閮煞N或多種材料之間引入的界面可能會(huì)形成額外的載流子通路，并引發(fā)能量過濾效應(yīng)，從而達(dá)到協(xié)同增強(qiáng)熱電性能的目的。再加上聚合物基體固有的高柔韌性，可以方便制備高性能的柔性熱電材料。此外，在器件設(shè)計(jì)和組裝方面，目前文獻(xiàn)展示的柔性熱電器件只能提供幾微瓦到幾毫瓦的輸出功率，因而要最大限度地提高輸出功率以及優(yōu)化能量的利用效率。具體來說，一方面，熱電器件往往會(huì)采用更多的熱電腿串聯(lián)來產(chǎn)生高的輸出電壓，不同的使用場景要求的熱電器件的結(jié)構(gòu)也不盡相同。這些都會(huì)使相應(yīng)的器件設(shè)計(jì)復(fù)雜化，對器件層面的柔性提出了更高的要求；另一方面，熱電器件的結(jié)構(gòu)和熱電腿的排列會(huì)極大地影響器件的效率，因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到溫度梯度的維持以及熱損耗和內(nèi)部熱阻/電阻的優(yōu)化。因此，對熱電腿的尺寸和排列、基體的成分和厚度、電路的布置等器件參數(shù)進(jìn)行全面考慮、實(shí)施合理的器件設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。

  因此，大力發(fā)展高性能的聚合物基復(fù)合熱電材料并對相應(yīng)器件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，有望助力柔性熱電器件的實(shí)際應(yīng)用。在本綜述中，作者首先介紹了聚合物基復(fù)合熱電材料的一些基本原理，然后根據(jù)填料的種類詳細(xì)總結(jié)了聚合物基復(fù)合熱電材料的最新進(jìn)展，并概述了能夠有效提高聚合物基復(fù)合熱電材料性能的一些策略。隨后，作者介紹了基于聚合物基復(fù)合材料的柔性熱電器件的最新設(shè)計(jì)策略，并對這一蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域作出了展望。該論文以“Advancing Flexible Thermoelectric Devices with Polymer Composites”為題發(fā)表在Advanced Materials Technologies上，論文的第一作者為深圳大學(xué)材料學(xué)院劉卓鑫助理教授，通訊作者為深圳大學(xué)材料學(xué)院陳光明特聘教授。

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

作者簡介

  劉卓鑫博士，深圳大學(xué)材料學(xué)院助理教授。2012年和2015年于四川大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，2019年于香港城市大學(xué)獲得博士學(xué)位。主要從事的研究領(lǐng)域?yàn)槿嵝阅茉雌骷�，包括有機(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電器件、超級(jí)電容器、水系金屬離子電池等。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） 等期刊上發(fā)表論文40多篇，申請美國專利2項(xiàng)。