东华大学武培怡教授课题组Joule：高功率密度和高强韧力学性能的离子热电池

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近年来，新兴的离子软材料相比于传统电子导体，由于其本征可拉伸的力学特性、类生物组织的离子传导、可调的光学性质等优势，受到了越来越多的关注，推动了离子型类皮肤传感器的发展，也在物联网、软机器人、数字化健康医疗等重大新兴领域发挥了一定影响。此前，武培怡教授课题组雷周玥博士的一系列研究，系统报道了如何通过分子间相互作用调节软离子导体材料的广谱力学（Adv. Mater., 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018, 9, 1134，以及环境响应的光学性质（ACS Nano, 2018, 12, 12, 12860-12868），结合3D打印等先进加工技术，设计软离子导体材料的纤维结构，以提高仿生离子皮肤的感知灵敏度 (Mater. Horiz., 2017, 4, 694-700)；通过多模式信号的分辨，拓展了仿生离子皮肤的多重信号感知，能够对环境应力、应变、温度、湿度乃至不明液体的同步识别与感知 (Nat. Commun. 2019, 10, 3429; Mater. Horiz., 2019, 6, 538-545)；通过绿色食品材料的组装，实现了天然离子软材料的可回收和可重构（Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 1908018）；通过与真实皮肤界面的有效粘结和渗透压效应，进而实现了无创体外诊疗功能 （Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020）。

然而，目前关于离子软材料的研究工作，主要集中于传感应用，对于未来物联网等系统的整合，还需进一步考虑能量供应问题。尽管现在可以利用太阳能电池、锂电池、超级电容器、以及摩擦电等方式进行供电，但是其中存在着离子电路与电子电路的转化问题以及需要周期性充电的缺点。另一方面，自然界中广泛存在的温度差和热电转换机制，则为未来物联网系统持续供能的重要途径。但是，传统的热电材料主要集中于无机半导体等脆性刚性材料，难以匹配需要拉伸变形的动态人机交互界面，而一些有机固态离子热电材料则主要受限于功率密度低和力学脆弱的缺点。

研究亮点

针对目前挑战，雷周玥博士和高崴博士设计了力学稳固的聚合物双网络，引入可逆氧化还原离子电对，开发了一种高功率密度和高强韧力学的离子热电池。突破性提升了传统有机固态离子热电材料的力学性能，具有可媲美软骨组织的高韧性（2770 J m⁻²），可以适应人体拉伸运动的断裂伸长率（217%），缺口不敏感性，同时达到了目前固态离子热电池的高功率密度（0.61 mW m^-2 K^-2）。这一工作拓展了可仿生生物组织的离子软材料的功能和应用前景，为离子热电池的设计提供了新思路，也为离子电子学的发展提供了启发。相关工作近期在线发表在Joule。

这项工作提出的主要设计原则包括，(1) 第一重溶胀的网络以增加刚度，而第二重网络提供了可拉伸性；(2) 不同网络之间存在协同作用以增强韧性；(3) 强大的网络能够负载高浓度的电解质；(4) 为了增大热电势（thermopower），优选能够与载流子离子有相互作用的化学网络。因此，他们设计了经典的聚合物双网络结构，其中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体与离子电对[Fe(CN)₆^4–/Fe(CN)₆^3–]具有不同的分子间相互作用，可以放大离子电对的熵差异，从而提高热电势。整体聚合物网络具有耐高盐浓度的特性，能够提供有效的拉伸性、高力学强度、和高韧性。

图1. 双网络离子热电池的设计机理和实物照片。

通过调节离子电对的浓度，优化其在聚合物网络中的传输效率，他们获得了高的热电势、高有效离子电导率、和高的输出功率。在40 K温差下，最大输出功率密度可达0.61 mW m^-2 K^-2。

图2. 离子热电池的热电性能评估。

不同于此前类似果冻易碎的有机离子热电材料，这一双网络离子热电池具有强韧的力学性能，可以媲美软骨的韧性。一片3mm厚度、5 mm宽度的材料可以直接提起一袋1.5 公斤的橘子。

图3. 离子热电池的力学性能和综合性能评估。

离子热电池可以对外电路持续供电，即使在被用刀片切割、被拉伸、被弯曲的过程中，也能持续稳定输出电压和电流。

图4. 离子热电池的在变形过程中输出的电压、电流和功率评估。

图5. 离子热电池持续供电的示意效果。

这项工作开发了媲美生物组织强韧力学的离子热电池，实现了高功率密度的持续供电功能，特别是拓展了离子软材料的应用前景。这是第一代可拉伸且坚韧的固态离子热电池。这项工作打破了离子热电池的力学限制并优化了热电性能，可以启发许多电池功能装置的结构和材料设计，也将有利于物联网时代持续自供电可穿戴电子设备的实现。

该课题得到了国家自然科学基金重点项目 (51733003) 的资助与支持。文章共同第一作者为雷周玥博士和高崴博士，通讯作者为武培怡教授。

论文链接：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00291-9

感兴趣的同行在8月27日前可点击下面链接免费下载PDF。

https://authors.elsevier.com/a/1dNDa925JEG7cd 

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