image: 1-展示热扩散、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，并追踪2010年以来i-TE研究的快速增长 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
离子热电材料可以呈现出截然不同的形态：液体、柔性凝胶、带电聚合物薄膜或者多孔固态膜。然而这四类材料都共享同一个“绝活”：把温差转化为电信号，而携带这一信号的是离子，而非驱动传统半导体的电子。相关科学其实由来已久——19世纪法拉第与能斯特奠定了基础，索雷特于1880年描述了与之相伴的热扩散效应。但此后数十年进展缓慢，直到2010年代，随着新材料把热电势推高至10 mV/K以上以及柔性离子热电凝胶问世，这一领域才真正迎来爆发。
《国家科学评论》(National Science Review, NSR)近期发表的一篇综述，由来自九家院校科研单位的研究者共同完成，从基础原理出发对该领域进行了全景式梳理。离子热电依托电化学、热力学与离子输运的交织而运作，综述将这种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，使离子沿温度梯度迁移；热电流（TG）效应依赖对温度敏感的氧化还原电对；而最年轻的热提取（TEx）效应则利用活性电极，像可充电电池那样嵌入和脱出离子。无论采用哪种机制，每种材料都将活性离子源与决定离子如何迁移的宿主基质相配对，而它们共同的特点是异常高的热电势——达到电子热电材料的十到一百倍。正是这一热电势，让离子热电得以捕获低品位废热：这部分能量占全球能源损耗的大头，温度太低，既无法驱动涡轮机，也难以被传统方法高效收集。这些材料被构筑成单电池或双电池器件：单电池利用空间上的温差工作，双电池则无需空间温差，而是借助随时间变化的温差，从而实现热量的回收与存储。
它们的吸引力还不止于此。作为电源，离子热电在原始输出功率上未必胜过半导体，但其中许多材料尤其是凝胶，是柔软、可拉伸、可溶液加工的，天然契合可穿戴贴片和皮肤贴附式电子器件，这是刚性器件无法企及的。其化学体系异常多样，而且许多基础构件成本低廉、易于加工、对环境友好。综述强调，要把这一前景转化为真正的硬件，会遭遇电化学、热力学与离子输运紧密耦合所带来的困难挑战。
在化学层面，性能取决于一系列难以兼顾的选择：选用哪种热扩散离子或热电偶氧化还原电对、如何设计聚合物网络与活性物种周围的溶剂化壳层，以及如何构建混合离子电子导体以摆脱电导率与热电势之间通常存在的妥协问题。物理层面的要求同样苛刻，关键在于离子尺寸与浓度如何决定输运、双电层如何在电极处形成与演变，以及热电转换如何与这些效应相耦合。这些化学与物理上的调控杠杆共同解释了：为何一种看似有前途的材料，在器件层面往往表现不及预期——也正因如此，综述把它们视为亟待解决的核心问题,而非无关紧要的细节。
同样为这几种机制，可以被导向截然不同的用途。根据设计而定，离子热电器件能够发电、泵热制冷、感知温度、压力或湿度以及储存能量。这些大体上是相互独立的设计方向，不过先进器件会有意将其中几种组合起来：有的在收集热量的同时进行储能；有的则更进一步，将热能级联转化为电能、再转化为化学能，使单个器件得以一边收集废热一边制取氢气。在实践中，其应用已经覆盖了异常广泛的范围。最成熟的是利用体热和环境余温发电——离子热电织物和贴片可以驱动低功耗传感器、健康监测设备和无线传输器，而无需电池。反向运行时，同样的氧化还原化学可实现主动制冷，性能足以媲美传统半导体制冷器：一种经溶剂化工程设计的特殊电解质，在低施加电压下已达到14.3的比性能系数。其高灵敏度也使它们成为敏锐的多模态传感器：单一材料可同时响应温度、压力、湿度和化学信号，目前正被探索用于智能人机交互。其应用版图还在进一步延伸，涵盖用于智能建筑的离子热电水泥、火灾报警纸芯片，以及能量收集型智能窗。
综述以一份路线图作结，其核心信息是：制约这一领域的，与其说是基础科学，不如说是支离破碎的研究格局。瓶颈不应再是刷新热电势纪录，而在于四条务实的战线：标准化、跨尺度设计、面向商业化的规模化与可靠性，以及可持续性。综述呼吁建立统一的分类体系和一个专属的品质因数，以适用于多数离子热电体系。为把这几条战线串联起来，作者倡导"闭环"开发模式，让材料筛选、器件原型、系统仿真与现场验证持续相互反馈。
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，另有来自七家院校单位的研究者参与。文章作为《国家科学评论》“离子热电”专题的一部分发表(DOI:10.1093/nsr/nwag283; CC BY 4.0)。