辐射冷却分级可穿戴热电发电机：热-电-机械协同效应的突破性整合

本研究针对传统三明治结构可穿戴热电发电机(s-TEG)在机械柔性与输出性能间的固有矛盾，创新性地提出分级形态热电发电机(h-TEG)。通过集成高长径比热电偶、高密度热电芯片、超软多孔弹性体及纳米纤维辐射冷却(RC)超表面，实现了6.67 mV cm-2 K-1的电压密度和9.59 μW cm-2 K-2的功率密度，同时保持120%拉伸率。在900 W m-2太阳辐射下，其功率输出较传统s-TEG提升3倍，为全天候自供电可穿戴电子提供了新范式。

　　

随着物联网和智能穿戴设备的快速发展，如何实现持续稳定的能源供应成为制约其发展的关键瓶颈。传统基于电池的供电方式存在充电频繁、环境污染等问题，而利用人体温差发电的热电技术(Thermoelectric Generator, TEG)被视为理想解决方案。然而现有三明治结构可穿戴TEG(s-TEG)面临根本性矛盾：提升机械柔韧性会导致热电性能急剧下降，特别是在户外复杂热环境中，环境温度波动和太阳辐射更会显著降低发电效率。这种"柔性-输出"的权衡严重限制了可穿戴TEG的实际应用。

为解决这一难题，东南大学Dongliang Zhao团队与湖南大学Wei Ren、科罗拉多大学Jianliang Xiao等合作，在《Nexus》发表创新研究。研究人员采用分级形态设计策略，通过有限元模拟优化器件填充因子，结合阻抗谱分析和红外热成像验证，开发出集成高长径比Bi₂Te₃热电偶、氧化铝陶瓷基热电芯片、多孔Ecoflex弹性体封装和PVA-Al₂O₃纳米纤维辐射冷却超表面的h-TEG。研究团队还建立了包含人体热调节模型的全天候性能预测系统，并采用典型气象年(TMY)数据进行户外场景验证。

分级结构设计与性能优势

通过"热电偶-芯片-器件"三级架构，h-TEG在0.35最佳填充因子下实现46%的功率密度提升。高导热陶瓷基板(20 W m^-1 K^-1)作为热扩展器，配合0.084 W m^-1 K^-1超低导热多孔封装，使温度利用率提高42%。在56.6 K温差下输出30.0 mW cm^-2功率密度，较传统s-TEG具有显著优势。

机械稳定性突破

有限元分析显示分级结构将热电偶应变降低三个数量级（0.0003% vs 0.25%）。1324%拉伸率的超软多孔Ecoflex（模量36.4 kPa）实现120%器件拉伸，经1000次70%拉伸/-30%压缩循环后性能衰减<5%，解决了脆性热电材料的机械兼容性问题。

全天候能量收集表现

静态室内测试中，手腕佩戴产生11.5 mV/5.3 μW输出，跑步时升至40 mV/64 μW。集成辐射冷却超表面（95%太阳反射率、91%大气窗口发射率）后，在900 W m^-2辐照下功率提升125.7%，皮肤温度降低3°C；夜间仍保持43.5%性能增益。

实际应用验证

885 cm²运动臂带原型在典型气象条件下日发电102 mWh，可满足Garmin Fenix 7S智能手表77 mWh日耗需求。相较传统s-TEG，电压和功率密度分别提升8倍和3倍。

该研究通过分级结构设计成功解决了可穿戴热电领域长期存在的性能-柔性矛盾，其创新的"功能解耦"策略为下一代自供电电子提供了普适性平台。特别值得关注的是，研究不仅实现了实验室性能突破，更通过系统级建模和真实场景验证展现了商业化潜力。将辐射冷却与热电转换协同优化的思路，为开发适应复杂环境的新型能源器件开辟了新途径。未来通过卷对卷工艺拓展和多元热电材料（如PbSe、Mg₃(Bi,Sb)₂等）集成，此技术有望推动可穿戴电子向完全自供能方向发展。