印刷折纸热电发电机通过材料与工艺设计从低品位热源实现 > 20 Wm−² 输出

将余热转化为有用电能

每天，我们的电子设备、工厂甚至家用加热器都会排放大量的低温热能。这类温暖但不高温的能量通常飘散到空气中未被利用。本文所述的研究展示了一种将这类散失热量转为电能的新型超薄可折叠电源。该器件完全通过印刷制备并像折纸一样折叠，能够提供足以为小型传感器和电子设备供电的能量，从而为免维护的可穿戴设备和物联网终端打开了道路。

为什么可折叠电源很重要

现代社会消耗的大量能量以来自机器、管道和人体的低品位热排放被浪费掉。热电发电机可以将温差直接转化为电能，但性能最好的通常由刚性、昂贵且难以大规模制造的晶体制成。印刷提供了一条更廉价的、可卷对卷生产的路线，但印刷材料往往在性能或柔韧性上做出牺牲。研究团队试图将印刷的低成本与可成形性优势，与足够高的功率水平相结合，使这些发电机在日常场景中真正有用。

设计更优的印刷材料

新器件的核心是一种基于银、硒并含少量硫的特殊工程薄膜。通过微调配方——略微改变元素比例并将约2%的硒替换为硫——团队调控了电子在薄膜中的传输行为。这种精细调整产生了一种既具有良好电导率又能从温差中产生可观电压的材料。在约90°C（360 K）下，优化后的薄膜其功率因子比该组之前的银-硒薄膜高出大约三分之二，同时在经热压成致密光滑层后仍保持柔性。

可弯曲、可扭转且耐久

由于未来的电源可能需要包裹管道或置于运动体表面，机械强度至关重要。研究人员将几种版本的薄膜印刷在薄型聚酰亚胺（Kapton）塑料上，并对其进行反复弯曲和扭转测试。即使在绕小直径圆柱弯曲数百次后，含硫增强薄膜的电阻仅有轻微变化，并且在一千次弯曲循环后仍未见明显开裂。这种耐久性来自材料设计与热压步骤的结合：热压使印刷层致密化，改善附着并减少薄弱点。

从平面印刷到折纸发电机

为了将改良薄膜制成工作发电机，团队在柔性基片上交替印刷了新的n型材料与互补的p型材料条带，添加了碳与银的接触层，然后将整个叠层折成锯齿状的折纸结构。以这种形式，薄长的元件在热侧与冷侧之间搭桥，使热量必须通过许多电气串联连接的结点流动。在80开尔文的温差下——类似于温暖表面与较凉环境之间的差值——该折纸器件产生了约0.9毫瓦的功率。按活性面积换算，这相当于超过20瓦特每平方米，按质量计约800微瓦每克，约为早期印刷折纸发电机功率密度的两倍。

长期可靠的电力供应

对于实际应用，稳定的长期性能与峰值指标同样重要。研究人员让其印刷折纸模块在不同温差下经历数十次工作循环。器件反复输出几乎相同的功率——只在几个百分点内波动——表明印刷层、电气连接和折叠结构能够承受热与机械应力。将测得的材料属性纳入的计算机模拟与实验电压和功率吻合良好，进一步增强了该方法可扩展与可优化的信心。

对日常技术意味着什么

简而言之，这项工作表明，薄型、可印刷且可折叠的片材可以被设计用于以印刷器件的纪录功率密度采集低品位热能。小型传感器在生产线、智能建筑乃至人体表面，无需依赖需更换或充电的电池，就能利用温差从此类折纸发电机获取能量。虽然要将其集成进产品还需进一步开发，但巧妙的材料化学、低成本印刷与节省空间的折叠相结合，使得余热驱动电子设备更进一步地接近现实。

引用: Luo, N., Wang, Z., Verma, A.K. et al. Printed origami thermoelectric generator achieves > 20 Wm⁻² from low-grade heat via material and process design. Nat Commun 17, 1259 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68852-z

关键词: 热电发电机, 印刷电子学, 折纸能量采集器, 余热回收, 柔性电源