南开大学马儒军教授团队 EES：高比输出功率密度的可拉伸水凝胶热电池

点击上方“蓝字” 一键订阅

利用离子传导实现热电转换的凝胶热电材料，具有超高的热电系数，是传统热电材料的几百倍甚至上千倍，同时具有良好的柔性以及加工性，在热能收集上表现出巨大的优势与应用前景。离子热电转换主要源于索雷特效应（Soret effect，也称为热扩散效应）与热电化学效应（Thermogalvanic effect，也称为热电流效应）。前者的热电系数很高，但在稳定温差下，无法持续产生电信号；后者热电系数相对较低，但在稳定温差下能够持续产生电能，表现出与传统P/N型热电材料相似的热电特性。因此，后者表现出更加实际的应用前景。而已报道的这类热电凝胶，热电系数、电导率以及比输出功率密度均较低，难以满足实际应用，同时机械性能、使用寿命也有待提高。

图1 热电水凝胶制备及性能优化

南开大学马儒军教授课题组设计了一种基于热电化学效应的高性能可拉伸水凝胶，利用特殊的离液离子诱导氧化/还原电对离子结晶，能够显著增强水凝胶的热电性能。选择典型的离液阴离子[Fe(CN)₆]^4-和[Fe(CN)₆]^3-作为氧化/还原离子电对，利用氧化/还原离子电对的动态可逆反应，实现热电转换。通过调节离子电对的浓度，系统研究热电系数与电导率的变化关系。作者在水凝胶中引入胍离子（一种典型的离液阳离子），显著提高热电水凝胶的热电系数（图1）。这是由于胍离子进入水凝胶中，与[Fe(CN)₆]^4-具有更强的相互作用，能够破坏[Fe(CN)₆]^4-的水合层，诱导[Fe(CN)₆]^4-结晶，促进氧化/还原离子电对的可逆反应。

图2 热电稳定性与电输出性能研究

作者进一步研究热电水凝胶的拉伸稳定性和热电稳定性（图2），在 200%应变下循环拉伸1000次，仍表现出良好的力学稳定性；而热电系数仍高达4.23 mV/K，保持率高达96%。将两个优化的热电水凝胶试样放置在室温环境下，每天对其进行热电性能测试，连续测试10天，可以看出，热电系数保持率均高达90%。作者系统研究了热电水凝胶在不同温差、不同应变下的热电输出。比输出功率密度高达1780 μW m^-2K^-2，约是已报道的可拉伸热电水凝胶最大值的3倍。通过低温控制装置，研究热电水凝胶在超低温状态下的热电输出，在冷端为-35 ℃的条件下，最大输出功率密度可达0.64 W/m²，仍表现出较好的热电性能。作者设计了5×5阵列的热电水凝胶器件，通过模拟收集低品位的人体热能，产生的电能可以直接点亮LED（图3），而不需要任何电压放大系统。通过将热电水凝胶膜放置在正常工作的CPU表面，能够显著降低CPU的温度，同时产生较大的热电信号，为高效热能转换与智能热管理提供可行方案。

图 3 可穿戴应用与热管理研究

该工作以“Stretchable thermogalvanic hydrogel thermocell with record-high specific output power density enabled by ion-induced crystallization”为题发表在国际知名期刊《Energy & Environmental Science》上。文章第一作者为助理研究员张鼎博士，该研究得到科学技术部与国家自然科学基金委的支持。

该工作是马儒军教授团队近期关于高性能柔性热电材料结构设计与应用的最新进展之一。马儒军教授目前为南开大学材料科学与工程学院智能热管理实验室负责人，近年来在主动/被动制冷材料、柔性热电材料与器件、高性能柔性导热复合材料、能源转换材料与器件等多学科交叉领域取得了一系列重要的研究成果，并以通讯或第一作者发表在Science、Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS nano等国际知名期刊上。实验室拥有先进的材料制备平台以及电学、热学等测试系统，并围绕国家重点研发计划项目等多项课题，展开新能源与智能热管理技术方向的研究。团队现诚招材料、化学、物理、电子等相关专业背景的博士后，欢迎有志之士将个人简历（pdf）发送至马儒军教授邮箱[e-mail]，邮件标题请注明：“应聘博士后+本人姓名+博士毕业院校”，对于符合要求并通过初审者，将会通知安排面试。招聘启事在岗位招满前有效。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee00738j

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多