研发出全球首个兼具柔韧与高效发电能力的“热电橡胶”材料，破解可穿戴设备供电难题；研发新型“离域电解液”，将现有锂离子电池的能量密度和续航能力直接提高了2至3倍……跟教育小微一起来看北京大学、天津大学的科技创新成果——

北京大学

破解可穿戴设备供电难题

当你为智能手表频繁充电而烦恼，期待柔性电子设备贴身服务却担忧能量续航时，一项来自北京大学的科研成果带来了突破——材料科学与工程学院雷霆教授团队研发出全球首个兼具柔韧与高效发电能力的“热电橡胶”材料。这项突破直指可穿戴设备持续供能这一世界性难题，为智能手表、健康监测器件等设备装上自给自足的“心脏”铺平了道路。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然》。

N型热电弹性体的构筑策略

长久以来，科学家们一直在寻找能为柔性可穿戴设备高效供能的理想方案。雷霆告诉记者，热电器件能将无处不在的温差转化为电能，还能通过通电实现制冷，看似完美，却深陷“刚柔难调”的瓶颈。传统无机热电材料性能虽优，却如同玻璃般脆硬，难以适应人体运动时的弯曲拉伸；而有机材料虽有较好的柔韧性，但常常在拉伸后无法回弹、性能衰减，且模量偏高，难以与皮肤完美贴合。“因此，一直以来，高效能量转换、持续稳定供能与完美适形性，这三大目标如同难以逾越的高峰，成为制约可穿戴技术发展的关键瓶颈。”

面对这一挑战，研究团队以三项创新科研策略，突破了材料“力—电—热”性能难以协同优化的世界级难题。他们首先利用汉森溶解度参数精心筛选，让刚性的半导体高分子与柔性橡胶在微观层面均匀融合，形成遍布材料内部的纳米纤维网络，这既奠定了橡胶柔韧的骨架，又为电流铺设了高效穿梭的通道。

“紧接着，我们创新性引入偶氮类交联剂，如同为材料植入了强大的‘记忆基因’。经此处理，材料获得了惊人的延展性，可拉伸超过原长的850%，且在经历高达150%的拉伸后，能像记忆海绵般恢复90%以上的原状，足以媲美天然橡胶。最后，我们巧妙筛选特殊掺杂剂作为‘性能催化剂’，精准作用于半导体纳米纤维，大幅提升了掺杂效率。更神奇的是，这种材料在拉伸时电导率不降反升，为柔性应用带来了意想不到的优势。”论文共同第一作者刘凯介绍，这三项策略合力催生的“热电橡胶”，不仅柔韧超群，其核心的热电转换效率更实现了质的飞跃——室温下的热电优值达到了令人瞩目的0.49，这一性能接近甚至超越现有的柔性和塑性无机材料。

(a-c) 共轭聚合物N1和绝缘弹性体(a)SEBS，(b)PDMS，(c)PU共混后体相纳米相分离形貌；(d) 基于共轭聚合物N1的热电弹性体材料拉伸-回复能力展示；(e) 共轭聚合物N1以及基于N1的热电弹性体在不同应变下的拉伸-循环性能（嵌入图为热电弹性体应力-应变曲线）；(f) 热电弹性体和文献报道的N型有机热电材料的功率因子对比；(g) 热电弹性体和文献报道的柔性/塑性热电材料的ZT值对比。

“其奥秘在于精妙的材料设计：均匀分布的纳米结构显著提升了电荷迁移率，而柔性橡胶对共轭高分子的包裹则有效降低了材料整体的热导率，从而在高效发电的同时也阻隔了热量流失，实现了力、电、热性能的完美平衡。”刘凯说。

基于这一创新性核心材料，研究团队更进一步，构建出全球首个弹性热电模块，成功实现了人体热能收集与稳定供电。“它采用一体化设计，彻底摒弃了传统刚性热电器件复杂的互连结构，使其能与皮肤表面实现无缝的自适应贴合，如同超薄柔韧的‘创可贴’。这种结构设计还能高效捕获人体体温与环境间的微小温差，并将其稳定转化为电能。这不仅为智能手表等可穿戴电子设备提供了可持续的能源，更在穿戴舒适度和动态形变适应性上实现了前所未有的突破。”论文共同第一作者王静怡说。

(a) 贴附于人体皮肤上的面外π型弹性热电发电模块；(b) 通过有限元模拟分析弹性热电发电机贴附于人体手肘时的应变；(c) 面外π型弹性热电发电机利用人体皮肤和环境的温差产生持续的电压。

“如今看来，科幻片中自供电的智能服装已不再是天马行空的想象。”雷霆说，这一中国原创的“热电橡胶”，不仅标志着材料科学的重大突破，将可穿戴能量采集技术推向了“高效—高适形”协同发展的新阶段，更如同一把钥匙，为高效利用我们身边永不枯竭的绿色能源宝库——人体热能打开了大门。

天津大学

研发新型“离域电解液”

随着电动交通、低空经济、消费电子、人形机器人等新兴领域迅速发展，人们对高能量、长续航可充放电池的需求日益迫切。13日，国际期刊《自然》在线刊发天津大学科研团队最新研究成果，该研究突破现有传统锂离子电池在能量密度和应用性能上的瓶颈，首创锂金属电池电解液“离域化”设计理念，在国际上首次研制了能量密度超过600瓦时/公斤的软包电芯和480瓦时/公斤的模组电池，其性能指标将现有锂离子电池的能量密度和续航能力直接提高了2至3倍。这一成果标志着我国在锂金属电池这一前沿领域处于全球领先地位。

8月13日，在天津大学的实验室里，天津大学材料学院胡文彬教授团队正在进行实验。新华社发

如何在重量更轻、体积更小的情况下储存更多电量？能量密度是电池核心指标。锂金属电池因具备远高于传统锂离子电池的理论能量密度，被视为突破现有电池性能瓶颈和提高续航能力的新一代电池技术。但目前的电解液设计主要依赖溶剂主导或阴离子主导的溶剂化结构，难以同时兼顾电池能量输出和循环寿命的提升要求。

为此，天津大学科研团队与合作者联合攻关，经过数年首创高能锂金属电池电解液“离域化”设计理念，打破了传统电解液设计对主导溶剂化结构的依赖。

团队负责人、天津大学材料学院教授胡文彬介绍，这种全新的离域电解液设计理念，通过引入多样化的电解液微环境，增加溶剂化环境的无序性，从而优化整体电解液性能。通过这一创新，实现了名为“Battery600”的高能量密度电池的性能目标，并成功实现了高能量密度电池组“Pack480”的可扩展性，为未来锂金属电池的应用奠定了重要基础。与此同时，该技术兼具优异的循环稳定性和安全特性。

8月13日，在天津大学的实验室里，天津大学材料学院胡文彬教授团队正在进行实验。 新华社发

目前，团队已经掌握了高能锂电池“材料—电解液—电极—电池”全链条核心技术，全部原材料和关键技术自主可控，并且具备了高一致性批量化生产能力。

文字 | 晋浩天、王艺钊、朱斌、刘晓艳