NSR | 从实验室到产品：离子热电的未来路线图——收集并利用低品位热能的多功能平台

液体、柔性凝胶、聚电解质、多孔固体框架——这四类形态迥异的材料共享同一个“绝活”：把温差转化为电信号，携带信号的是离子（或离子–电子协同的混合体系），而不像传统热电那样仅由电子或空穴承担。它们瞄准的，是占全球能源损耗大头的低品位废热：温度太低，既驱动不了热机，也难以被传统半导体热电高效回收。

近日，上海交通大学林尚超、南方科技大学刘玮书、太原理工大学张虎林等来自九家院校科研单位的研究者，在《国家科学评论》（NSR）发表长篇综述，从离子尺度的基本原理一路梳理到商业化产品的工程实现，提出“材料–器件–系统”跨尺度设计框架，为离子热电从实验室走向产品绘制了一份路线图。

这门科学其实由来已久：19 世纪法拉第与能斯特奠定理论基础，索雷特于1880年描述了热扩散效应；但直到2010年代，随着热电势突破10 mV/K、柔性离子热电凝胶相继问世，领域才真正迎来爆发。综述将热电化学转换归纳为三种机制：

• 热扩散（TD）效应：即索雷特效应，离子沿温度梯度定向迁移，可产生更高热电势；

• 热电流（TG）效应：依赖对温度敏感的氧化还原电对，输出稳定、可连续工作；

• 热提取（TEx）效应：最年轻的机制——活性电极像可充电电池一样嵌入、脱出离子，使热量得以存储并按需释放。

无论哪种机制，离子热电的共同标志都是更高的热电势——可达电子热电材料的10–100倍；机制协同还能进一步放大：热扩散与铁氰化物[Fe(CN)₆]^4−/3−电对耦合已实现17.0 mV/K，经不对称离子掺杂的离子凝胶更把单一体系推高至40.3 mV/K。器件层面则有“单电池”与“双电池”两种用法：前者利用空间温差持续发电；后者借助随时间起伏的温差充放电，把热量先存起来、再按需取用。

离子热电如何工作：追踪2010-2025年 i-TE 研究的快速增长；热扩散、热电流与热提取三种机制及其充放电曲线；热电势测量装置

同样的机制，可以导向截然不同的用途——这是离子热电区别于传统热电的最大魅力：

• 可穿戴发电：柔软、可拉伸、可溶液加工的凝胶天然贴合皮肤，离子热电织物与贴片仅靠体温即可驱动低功耗传感器、健康监测与无线传输，无需电池；

• 主动/被动制冷：一种经溶剂化工程设计的电解质，反向通电即可泵热制冷，在低电压下实现14.3 的电解质级比性能系数（COP），超越传统半导体制冷器；

• 多模态传感：高热电势带来高灵敏度（温变检测精度低至0.1 K），14节点智能手套可重建接触物体的温度图谱；自供电呼吸面罩能区分正常呼吸、呛咳与哮喘；可食用、可剥离的凝胶贴片贴在眼角、人中即可预警疲劳驾驶；结合深度学习的手势识别手套，准确率达到98.2%，可实时翻译手语；

• 建筑与安全：离子热电水泥让墙体发电，纸基芯片可为无线火灾报警供电；能量收集型智能窗在调节室温的同时，300×300 mm窗面正午即可输出1.25 V、点亮0.15 W灯泡；

• 协同系统：与光催化耦合的器件首次实现“热能→电能→化学能”完整级联，一边收集废热、一边电解制氢；与界面蒸发耦合的系统则在发电的同时完成海水淡化。

离子热电作为多功能传感器：温度、压力、光照、接近、呼吸与疲劳监测

把前景变成硬件，先要直面领域内部的“混乱”。综述毫不客气地算了三笔账：

• 数据失真：同一种材料，封装与未封装测得的热电势可相差10倍以上——湿气电/水伏效应严重污染数据，领域内尤其在准固态中至今缺少公认的标准参考材料；

• 无法横比：术语不统一（Seebeck系数还是热电势？）、测试构型也缺乏横向对比（垂直结构vs 平面结构），不同课题组的数据难以相互比较；

• 指标失效：离子迁移远慢于电子，尤其是热扩散器件，输出功率随时间衰减，因此沿用电子热电的ZT指标或其它不恰当的性能指标，“既不适用、也具误导性”，必须按离子热电的实际放电循环对不同系统做出差异化的真实效率评估。

加上电化学、热力学与离子输运的深度耦合，离子与氧化还原电对的选择、聚合物网络的构建、溶剂化壳层的设计、双电层的演化以及其它物理化学领域中的挑战，这些都对离子热电的底层机理与持续性能优化发起问询，这解释了为什么“明星材料”到了器件、系统层面常常表现不及预期。

综述的核心信息是：制约这一领域的，与其说是基础科学，不如说是离散的研究格局。为此，作者提出四条务实战线：

1. 标准化：统一术语与材料命名规范，建立标准测试协议与标定材料，发展适用于离子热电学以及其下不同分类的专属性能评价指标；

2. 跨尺度设计：材料级借助机器学习加速筛选；器件级用p-n对与多层电极压缩内阻与热充电时间；系统级集成电源管理与无线通信，如一款自供电智能伤口敷料，已同时实现温度监测、渗液检测与电刺激促进愈合；

3. 规模化与可靠性：发展卷对卷、增材制造等标准化工艺，开展长期长循环寿命测试，自补水凝胶已实现1500分钟连续运行；

4. 可持续性：纤维素、壳聚糖、明胶等生物基材料相继登场，可回收离子凝胶再生后热电势损失不到2%。

为把四条战线拧成一股绳，作者倡导“闭环”开发模式——让材料筛选、器件原型、系统仿真与实验验证持续相互反馈，使实验室创新真正成长为货架上的产品。

面向离子热电的材料–器件–系统跨尺度设计框架

该综述由共同通讯作者林尚超（上海交通大学）、刘玮书（南方科技大学）与张虎林（太原理工大学）领衔，团队成员来自九家院校科研单位，文章作为《国家科学评论》“离子热电”专题的一部分发表。

论文信息

Ziyao Xu, Mao Yu, Qikai Li, Chunjing Wang, Yuxiu Yao, Ruixin Wei, Cheng Chi, Cheng Yan, Xiaogang Zhang, Yinghong Xu, Baoling Huang, Dongyan Xu, Yun Shen, Zehao Zhao, Shien-Ping Feng, Weishu Liu, Hulin Zhang, Shangchao Lin, A bird’s-eye view for future ionic thermoelectrics: from ions to products（CC BY 4.0开放获取）

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag283