《AFM》東南大學(xué)陳永平：增強(qiáng)熱電性、可拉伸和耐冷凍的有機(jī)水凝膠熱電池在零下溫度下持續(xù)工作
發(fā)布時(shí)間：2021-07-01 13:47:49 人氣：1317
摘要
環(huán)保且能夠?qū)⒌图?jí)熱量持續(xù)轉(zhuǎn)化為電能的水性熱電池是在各種應(yīng)用場(chǎng)景中為柔性和可穿戴設(shè)備供電的有希望的候選者。然而，挑戰(zhàn)仍然存在于其有限的工作溫度、機(jī)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(xué)陳永平教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入?yún)f(xié)同離液效應(yīng)來(lái)破壞強(qiáng)氫鍵、增加聚合物的熵彈性和擴(kuò)大熱電偶離子的熵差來(lái)解決這些挑戰(zhàn)。有機(jī)水凝膠熱電池設(shè)計(jì)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(dá)到 0.1 mW m-2 K-2，與當(dāng)前準(zhǔn)固體熱電池的最高記錄處于同一數(shù)量級(jí)。即使在 -30 °C 下，熱電池仍保持超過(guò) 100% 的斷裂伸長(zhǎng)率和 0.012 mW m-2 K-2 的相對(duì)高功率密度。此外，熱電池顯示出點(diǎn)亮發(fā)光二極管的潛力，并且在很寬的溫度范圍內(nèi)壓縮、彎曲和拉伸時(shí)都能穩(wěn)定工作。這項(xiàng)工作提供了有關(guān)開(kāi)發(fā)可靠電源以在極冷環(huán)境中持續(xù)驅(qū)動(dòng)柔性電子設(shè)備的見(jiàn)解。相關(guān)論文以題為Stretchable and Freeze-Tolerant Organohydrogel Thermocells with Enhanced Thermoelectric Performance Continually Working at Subzero Temperatures發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
主圖
圖1 在零下溫度下工作的熱電池的設(shè)計(jì)。在零下溫度下工作的熱電池的設(shè)計(jì)。a) 電荷的電化學(xué)勢(shì)（𝜇~）攜帶圖和可逆氧化還原反應(yīng) Fe3++e−⇋ Fe2+的相應(yīng)電壓分布，其中 E 表示內(nèi)建電場(chǎng)。b) 在溫度梯度下含有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、EG 和水的有機(jī)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(kuò)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(jiàn)光譜。e) 柔軟且可拉伸的有機(jī)水凝膠熱電池的照片。
圖2 有機(jī)水凝膠熱電池的熱電和機(jī)械性能。
圖3 變形過(guò)程中有機(jī)水凝膠熱電池的輸出電壓和電流。
圖4 變形過(guò)程中有機(jī)水凝膠熱電池的輸出功率以及與現(xiàn)有準(zhǔn)固體熱電池的比較。
總結(jié)
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有協(xié)同離液效應(yīng)的本質(zhì)上可拉伸且環(huán)保的有機(jī)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(xù)工作模式所面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)離液效應(yīng)干擾強(qiáng)氫鍵，有機(jī)水凝膠熱電池不僅在 -50°C 下也能抗凍，而且還顯示出增強(qiáng)的熱電勢(shì)。熱電池的最大歸一化功率密度達(dá)到 0.1 mW m-2 K-2，與當(dāng)前準(zhǔn)固體熱電池的最高記錄處于同一數(shù)量級(jí)。即使在 -30 °C 下，有機(jī)水凝膠熱電池仍能保持超過(guò)100% 的斷裂伸長(zhǎng)率和 0.012 mW m-2 K-2 的相對(duì)高功率密度。此外，團(tuán)隊(duì)證明了有機(jī)水凝膠熱電池可以點(diǎn)亮 LED 并在很寬的溫度范圍內(nèi)壓縮、彎曲和拉伸時(shí)提供穩(wěn)定的電壓輸出。據(jù)悉，它是第一代可在極冷環(huán)境中工作的柔性可拉伸熱電池。該團(tuán)隊(duì)相信這項(xiàng)工作中研究的工作機(jī)制和離液效應(yīng)也將為解決可伸縮、可穿戴和便攜式設(shè)備在高海拔地區(qū)、南極/北極甚至外太空需要持續(xù)供電所面臨的挑戰(zhàn)提供靈感.
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