《AFM》東南大學陳永平：增強熱電性、可拉伸和耐冷凍的有機水凝膠熱電池在零下溫度下持續工作
摘要
環保且能夠將低級熱量持續轉化為電能的水性熱電池是在各種應用場景中為柔性和可穿戴設備供電的有希望的候選者。然而，挑戰仍然存在于其有限的工作溫度、機械脆性和差的熱電性能，主要是由于聚合物鏈和熱電偶在低溫下的熵減少。
最近，東南大學陳永平教授團隊通過引入協同離液效應來破壞強氫鍵、增加聚合物的熵彈性和擴大熱電偶離子的熵差來解決這些挑戰。有機水凝膠熱電池設計有離液共聚單體和離液助溶劑。熱電池的最大歸一化功率密度達到 0.1 mW m-2 K-2，與當前準固體熱電池的最高記錄處于同一數量級。即使在 -30 °C 下，熱電池仍保持超過 100% 的斷裂伸長率和 0.012 mW m-2 K-2 的相對高功率密度。此外，熱電池顯示出點亮發光二極管的潛力，并且在很寬的溫度范圍內壓縮、彎曲和拉伸時都能穩定工作。這項工作提供了有關開發可靠電源以在極冷環境中持續驅動柔性電子設備的見解。相關論文以題為Stretchable and Freeze-Tolerant Organohydrogel Thermocells with Enhanced Thermoelectric Performance Continually Working at Subzero Temperatures發表在《Advanced Functional Materials》上。
主圖
圖1 在零下溫度下工作的熱電池的設計。在零下溫度下工作的熱電池的設計。a) 電荷的電化學勢（𝜇~）攜帶圖和可逆氧化還原反應 Fe3++e−⇋ Fe2+的相應電壓分布，其中 E 表示內建電場。b) 在溫度梯度下含有交聯網絡、EG 和水的有機水凝膠熱電池的示意圖。額外的 EG 可以破壞冰晶格，從而在零度以下的溫度下擴大工作溫度。c) FeCl3 以及 DMAEA-Q 和 FeCl3 在 EG 和水的二元溶劑體系中的混合物的 UV-vis 光譜。d) FeCl2 以及 DMAEA-Q 和 FeCl2 在 EG 和水的二元溶劑體系中的混合物的紫外-可見光譜。e) 柔軟且可拉伸的有機水凝膠熱電池的照片。
圖2 有機水凝膠熱電池的熱電和機械性能。
圖3 變形過程中有機水凝膠熱電池的輸出電壓和電流。
圖4 變形過程中有機水凝膠熱電池的輸出功率以及與現有準固體熱電池的比較。
總結
該團隊設計了一種具有協同離液效應的本質上可拉伸且環保的有機水凝膠熱電池，以解決電源在極低溫度下需要耐磨性、柔韌性和連續工作模式所面臨的挑戰。通過離液效應干擾強氫鍵，有機水凝膠熱電池不僅在 -50°C 下也能抗凍，而且還顯示出增強的熱電勢。熱電池的最大歸一化功率密度達到 0.1 mW m-2 K-2，與當前準固體熱電池的最高記錄處于同一數量級。即使在 -30 °C 下，有機水凝膠熱電池仍能保持超過100% 的斷裂伸長率和 0.012 mW m-2 K-2 的相對高功率密度。此外，團隊證明了有機水凝膠熱電池可以點亮 LED 并在很寬的溫度范圍內壓縮、彎曲和拉伸時提供穩定的電壓輸出。據悉，它是第一代可在極冷環境中工作的柔性可拉伸熱電池。該團隊相信這項工作中研究的工作機制和離液效應也將為解決可伸縮、可穿戴和便攜式設備在高海拔地區、南極/北極甚至外太空需要持續供電所面臨的挑戰提供靈感.
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