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东华大学武培怡课题组Joule:高功率密度和高强韧力学性能的准固态离子热电凝胶

随着全球物联网市场的快速增长,无处不在的可穿戴电子产品需要可靠的电源:不仅能够以连续模式工作,而且在力学上能够适应动态不规则的人机交互界面。目前的大部分电源设备,包括电容器、太阳能电池和锂电池等,都是需要定期充电;而能够收集低品位热能的热电材料被认为是最有潜力来提供可持续电力的。


在可持续供电的热电材料中,无机半导体材料的可拉伸性和力学适应性有限,有机半导体材料的电性能较差,液态离子电解质则存在电解质泄露风险,即使是一些准固态的热电凝胶,由于其基质主要为弱物理交联网络,断裂能一般也很小,约为 10 J m−2,在实际的变形过程中非常容易破碎。


近日,东华大学武培怡点击查看介绍)课题组提出通过简单的双交联网络设计,来解决当前准固态离子热电材料所面临的力学和热电性能的综合难题,从而为新一代持续供电设备提供材料基础。其主要设计原则有:(1) 第一重溶胀的网络来提供刚度,而第二重柔软的网络提供可拉伸性;(2) 不同网络之间存在协同作用以增强韧性;(3) 强大的网络来容纳高浓度电解质;(4) 为了增强热电势(thermopower),优选的交联网络是那些与热电离子具有不同相互作用的聚合物网络。

图1. 双网络离子热凝胶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,可以获得较高的热电势、优化有效离子电导率,从而得到高的输出功率。在40 K温差下,这种离子热电凝胶的最大输出功率密度可达0.61 mW m-2 K-2,与目前准固态离子热电材料的最高记录几乎相当(0.66 mW m-2 K-2)。

图2. 离子热电凝胶的热电性能评估。


不同于此前类似果冻状的易碎物理交联的离子热电材料,这一双网络设计显著提高了热电凝胶的力学性能,其高断裂能(2770  J  m−2)甚至可以媲美软骨的韧性(约1000  J  m−2)。一片3 mm厚度、5 mm宽度的热电凝胶可以直接提起一袋1.5 公斤的橘子。

图3. 离子热电凝胶的力学性能和综合性能评估。


作者证明了该离子热电凝胶可以长期收集废热,持续对外电路供电,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. 离子热电凝胶在变形过程中输出的电压、电流和功率评估。


图5. 离子热电凝胶持续供电的示意效果。


小结


该工作中,作者首次报道了兼具高力学性能和高功率密度的离子热电材料。与当前的热电材料相比,其离子热电效应具有显著优势,出色的力学性能也使得离子热电材料在未来物联网和可穿戴电池中的应用成为了可能。研究结果不仅为热电材料的分子设计提供了新思路,也拓宽了离子软材料的应用前景。该成果近期发表于Joule雷周玥博士和高崴博士为文章共同第一作者,武培怡教授为通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Double-network thermocells with extraordinary toughness and boosted power density for continuous heat harvesting

Zhouyue Lei, Wei Gao, Peiyi Wu*

Joule2021, DOI: 10.1016/j.joule.2021.06.003


免费下载PDF链接https://authors.elsevier.com/a/1dNDa925JEG7cd  (2021年8月27日前有效)


研究团队简介


东华大学武培怡课题组致力于分子光谱、高分子材料的机理-结构-应用研究,从而开发面向人工智能和人机交互应用的智能软材料。


武培怡

https://www.x-mol.com/university/faculty/184146 

课题组主页

http://www.peiyiwu.cn/ 


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