增强热电、可拉伸和耐冷冻的有机水凝胶热电池在零下温度持续工作

摘要

环保且能够将低级热量持续转化为电能的水性热电池是在各种应用场景中为柔性和可穿戴设备供电的有希望的候选者。然而，挑战仍然存在于其有限的工作温度、机械脆性和差的热电性能，主要是由于聚合物链和热电偶在低温下的熵减少。

最近，东南大学陈永平教授团队通过引入协同离液效应来破坏强氢键、增加聚合物的熵弹性和扩大热电偶离子的熵差来解决这些挑战。有机水凝胶热电池设计有离液共聚单体和离液助溶剂。热电池的最大归一化功率密度达到 0.1 mW m-2 K-2，与当前准固体热电池的最高记录处于同一数量级。即使在 -30 °C 下，热电池仍保持超过 100% 的断裂伸长率和 0.012 mW m-2 K-2 的相对高功率密度。此外，热电池显示出点亮发光二极管的潜力，并且在很宽的温度范围内压缩、弯曲和拉伸时都能稳定工作。这项工作提供了有关开发可靠电源以在极冷环境中持续驱动柔性电子设备的见解。相关论文以题为Stretchable and Freeze-Tolerant Organohydrogel Thermocells with Enhanced Thermoelectric Performance Continually Working at Subzero Temperatures发表在《Advanced Functional Materials》上。

主图

图1 在零下温度下工作的热电池的设计。在零下温度下工作的热电池的设计。a) 电荷的电化学势（~）携带图和可逆氧化还原反应 Fe3++e−⇋ Fe2+的相应电压分布，其中 E 表示内建电场。b) 在温度梯度下含有交联网络、EG 和水的有机水凝胶热电池的示意图。额外的 EG 可以破坏冰晶格，从而在零度以下的温度下扩大工作温度。c) FeCl3 以及 DMAEA-Q 和 FeCl3 在 EG 和水的二元溶剂体系中的混合物的 UV-vis 光谱。d) FeCl2 以及 DMAEA-Q 和 FeCl2 在 EG 和水的二元溶剂体系中的混合物的紫外-可见光谱。e) 柔软且可拉伸的有机水凝胶热电池的照片。

图2 有机水凝胶热电池的热电和机械性能。

图3 变形过程中有机水凝胶热电池的输出电压和电流。

图4 变形过程中有机水凝胶热电池的输出功率以及与现有准固体热电池的比较。

图5 使用有机水凝胶热电池在室温或寒冷环境中点亮 LED 的概念验证演示。 a）通过在周围环境中收集人体热量来连续输出电压（蓝线）和电流（红线）。b) 通过收集冰面和室温之间的温度梯度连续输出电压（蓝线）和电流（红线）。c）有机水凝胶热电池通过在周围环境中收集人体热量来点亮红色 LED 的照片。d) 通过收集冰面和室温之间的温度梯度，有机水凝胶热电池点亮红色 LED 的照片。

总结

该团队设计了一种具有协同离液效应的本质上可拉伸且环保的有机水凝胶热电池，以解决电源在极低温度下需要耐磨性、柔韧性和连续工作模式所面临的挑战。通过离液效应干扰强氢键，有机水凝胶热电池不仅在 -50°C 下也能抗冻，而且还显示出增强的热电势。热电池的最大归一化功率密度达到 0.1 mW m-2 K-2，与当前准固体热电池的最高记录处于同一数量级。即使在 -30 °C 下，有机水凝胶热电池仍能保持超过100% 的断裂伸长率和 0.012 mW m-2 K-2 的相对高功率密度。此外，团队证明了有机水凝胶热电池可以点亮 LED 并在很宽的温度范围内压缩、弯曲和拉伸时提供稳定的电压输出。据悉，它是第一代可在极冷环境中工作的柔性可拉伸热电池。该团队相信这项工作中研究的工作机制和离液效应也将为解决可伸缩、可穿戴和便携式设备在高海拔地区、南极/北极甚至外太空需要持续供电所面临的挑战提供灵感.

参考文献

doi.org/10.1002/adfm.202104071

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