摘要：基于热电效应的能量转换技术因其独特的热—电直接转化特性，在能量采集、柔性电子传感、生物医疗设备以及固态制冷等领域展现出革命性应用前景，已成为应对能源危机与可持续发展挑战的重要研究方向。当前主流热电发电装置受限于刚性材料体系，难以满足柔性场景中动态形变（如弯曲、

基于热电效应的能量转换技术因其独特的热—电直接转化特性，在能量采集、柔性电子传感、生物医疗设备以及固态制冷等领域展现出革命性应用前景，已成为应对能源危机与可持续发展挑战的重要研究方向。当前主流热电发电装置受限于刚性材料体系，难以满足柔性场景中动态形变（如弯曲、扭曲及拉伸）的协同适配需求，严重制约了其实际应用与发展。近年来，室温液态金属作为新兴功能材料在热电研究领域备受关注，特别是以镓基合金为代表的液态金属，不仅具备本征热电特性，更兼具流体流动性、高导电/热能力以及动态自修复特性。液态金属独特的材料属性有望为开发新一代柔性热电系统提供新路径。

近日，中国科学院理化所刘静研究员团队发表综述文章，系统梳理了液态金属与热电效应前沿交叉领域的最新进展，并评述了液态金属热电器件在可穿戴柔性电子、生物医学以及能源回收领域的应用前景。早在2012年，刘静小组就开启了对液态金属中的热电效应的研究（Printable Tiny Thermocouple by Liquid Metal Gallium and Its Matching Metal, Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 073511），首次报道了在液态金属液-液、液-固界面上发现的热电效应，并基于这一现象构建了柔性热电偶器件，以后又将其推进到可印刷式液态金属热电发生器上（中国科学E辑, 44, 407, 2014）。近年来，随着国际上更多团队的涌入，液态金属热电效应研究与应用逐步引起重视。在此篇文章中，作者们首先对液态金属在互连电路、导热材料、热电支腿等方面的应用进行了总结；然后，深入解读了液态金属及其匹配材料之间独特的液-液、液-固界面热电效应；接着，探讨了基于液态金属印刷半导体技术构建热电材料的工艺路线；最后，论述了液态金属与热电效应前沿交叉领域未来可能遇到的挑战，展望了亟待研究的方向。该综述文章以“Liquid Metal Enabled Thermoelectric Effects: Fundamental and Application”为题发表在国际期刊《

【液态金属与热电效应交叉领域研究趋势】

近年来，液态金属在热电效应研究领域快速兴起，研究热度持续上升。液态金属卓越的多面手性能使其能够克服传统刚性热电材料在机械变形条件下的性能损失，极大拓展了热电器件的应用空间。

图1.基于液态金属的热电效应研究趋势

图2.液态金属在热电效应领域中的应用及其优势

【液态金属用作柔性互连电路】

通过液态金属制备的柔性互连电路可以有效降低器件界面电阻、提升柔性和拉伸性。如刘静团队在2014年首次将镓和康铜集成为柔性热电发电机的互连材料，构建出一个微型热电发电堆，在160 °C温差下实现了约100 mV的输出电压，显示了良好的柔性性能。后续不少研究进一步验证了液态金属作为互连电路的高可靠性和自修复性能，即使在大幅弯曲、拉伸下依然能保持稳定的电性能。

图3.液态金属用作互连电路

【液态金属用作导热增益材料】

在柔性热电器件中，封装材料的热导率至关重要。液态金属复合弹性体可显著提高封装层的热导性能，有效降低器件内热阻，从而提升器件的整体效率。研究表明，加入液态金属后，弹性体的热导率最高可提高近5倍。通过进一步加入石墨烯纳米片或铜颗粒，封装层的热导率可进一步增强，有效提升器件的能量转化效率。结合3D打印技术，可基本实现柔性热电器件的自动化制造。

图4.热电器件的高度自动化制造

【液态金属掺杂制备高性能热电腿材料】

传统的热电材料（如Sb2Se3）具有高塞贝克系数，但导电性较低。通过掺入液态金属GaSn合金，可以有效提高Sb2Se3热电材料的导电性，并显著提升功率因子。此外，该复合材料还具有独特的自修复能力，多次切割与重合愈合后，仍能保持其优异的热电性能，展示了未来自修复柔性热电材料的可能性。

图5.液态金属与Sb2Se3的复合物制造具有自愈特性的热电支腿

【液态金属液-液、液-固界面的特殊热电效应】

不同液态金属之间以及液态金属与固体金属之间存在独特的液-液、液-固界面热电现象，刘静小组在2012年首次揭示了这种特殊的现象，并制造出多种类型的液态金属热电器件。之后，2024年Vernet等人（PNAS 121, e2320704121）对镓和汞之间的热电效应再次进行了深入研究，在外加磁场的作用下，发现了冷端和热端附近出现了高电流密度的电回路，这与流体热边界层附近剧烈的温度梯度变化高度相关。

图6.液态金属热电效应研究

【液态金属热电器件的应用】

液态金属热电器件以其优异的柔性、导热性和自修复性能，在可穿戴健康监测、热管理、余热回收、太阳能热电转换、自驱动液态金属传热系统及自主式热能收集软机器人等领域表现出卓越的应用前景。相关研究实现了可长时间、稳定监测人体健康指标，并主动调节穿戴设备温度的柔性器件，开发出高效余热回收及太阳能热发电技术。液态金属的热电效应电流在磁场作用下可产生洛伦兹力，为电子设备、核聚变反应堆冷却提供了崭新思路。此外，基于液态金属热电发电机与软体机器人的结合实现了可自主追逐热源并收集热能的软机器人，对于无系绳软体机器人的发展有着重要意义。

图7.液态金属热电设备在余热回收、太阳能热电转换、自驱动液态金属传热系统及自主式热能收集软机器人等领域的应用

【挑战与未来展望】

液态金属在柔性热电领域展现出巨大应用前景，但仍面临长期稳定性、界面可靠性与制造工艺优化等重要挑战。首先，目前柔性热电器件长期使用中材料易出现疲劳损伤，影响性能稳定性，尤其液态金属与基底界面的粘合稳定性及封装泄漏问题亟待优化。未来可通过研发高韧性、抗疲劳、自修复复合材料，提高器件长期可靠性。此外，液态金属在纳米尺度制备时可实现更加稳定的形貌，避免宏观液态金属可能产生的泄漏风险。同时，开发液态金属与高塞贝克系数、低电导率的热电材料复合掺杂技术，有望实现高导电性、高塞贝克系数与优异柔性的统一。此外，研究液态金属特有的液—液界面热电效应与特殊相变现象，揭示温度梯度不均匀分布及界面高电流密度产生机制，将有助于进一步提高液态金属热电器件的性能。最后，液态金属的自动化3D打印工艺在实现大规模制造柔性热电器件方面极具潜力，未来可实现柔性热电材料与半导体元件（如ITO）结合的全自动、规模化制造，为液态金属热电技术的产业化奠定基础。

图8.基于液态金属的热电效应的未来研究方向及挑战

文献来源：

T. Guan, J. Gao*, C. Hua, Y. Tao, Y. Ma, J. Liu*, Liquid Metal Enabled Thermoelectric Effects: Fundamental and Application. Adv. Funct. Mater., 2025, 2423909.

来源：阿曼科学大全