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南開(kāi)大學(xué)馬儒軍教授團(tuán)隊(duì) EES:高比輸出功率密度的可拉伸水凝膠熱電池
2022-06-20  來(lái)源:高分子科技

利用離子傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的凝膠熱電材料,具有超高的熱電系數(shù),是傳統(tǒng)熱電材料的幾百倍甚至上千倍,同時(shí)具有良好的柔性以及加工性,在熱能收集上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景。離子熱電轉(zhuǎn)換主要源于索雷特效應(yīng)(Soret effect,也稱(chēng)為熱擴(kuò)散效應(yīng))與熱電化學(xué)效應(yīng)(Thermogalvanic effect,也稱(chēng)為熱電流效應(yīng))。前者的熱電系數(shù)很高,但在穩(wěn)定溫差下,無(wú)法持續(xù)產(chǎn)生電信號(hào);后者熱電系數(shù)相對(duì)較低,但在穩(wěn)定溫差下能夠持續(xù)產(chǎn)生電能,表現(xiàn)出與傳統(tǒng)P/N型熱電材料相似的熱電特性。因此,后者表現(xiàn)出更加實(shí)際的應(yīng)用前景。而已報(bào)道的這類(lèi)熱電凝膠,熱電系數(shù)、電導(dǎo)率以及比輸出功率密度均較低,難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用,同時(shí)機(jī)械性能、使用壽命也有待提高。


 

熱電水凝膠制備及性能優(yōu)化


  南開(kāi)大學(xué)馬儒軍教授課題組設(shè)計(jì)了一種基于熱電化學(xué)效應(yīng)的高性能可拉伸水凝膠,利用特殊的離液離子誘導(dǎo)氧化/還原電對(duì)離子結(jié)晶,能夠顯著增強(qiáng)水凝膠的熱電性能。選擇典型的離液陰離子[Fe(CN)6]4-[Fe(CN)6]3-作為氧化/還原離子電對(duì),利用氧化/還原離子電對(duì)的動(dòng)態(tài)可逆反應(yīng),實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。通過(guò)調(diào)節(jié)離子電對(duì)的濃度,系統(tǒng)研究熱電系數(shù)與電導(dǎo)率的變化關(guān)系。作者在水凝膠中引入胍離子(一種典型的離液陽(yáng)離子),顯著提高熱電水凝膠的熱電系數(shù)(1)。這是由于胍離子進(jìn)入水凝膠中,與[Fe(CN)6]4-具有更強(qiáng)的相互作用,能夠破壞[Fe(CN)6]4-的水合層,誘導(dǎo)[Fe(CN)6]4-結(jié)晶,促進(jìn)氧化/還原離子電對(duì)的可逆反應(yīng)。 


熱電穩(wěn)定性與電輸出性能研究


  作者進(jìn)一步研究熱電水凝膠的拉伸穩(wěn)定性和熱電穩(wěn)定性(2),在 200%應(yīng)變下循環(huán)拉伸1000次,仍表現(xiàn)出良好的力學(xué)穩(wěn)定性;而熱電系數(shù)仍高達(dá)4.23 mV/K,保持率高達(dá)96%。將兩個(gè)優(yōu)化的熱電水凝膠試樣放置在室溫環(huán)境下,每天對(duì)其進(jìn)行熱電性能測(cè)試,連續(xù)測(cè)試10天,可以看出,熱電系數(shù)保持率均高達(dá)90%。作者系統(tǒng)研究了熱電水凝膠在不同溫差、不同應(yīng)變下的熱電輸出。比輸出功率密度高達(dá)1780 μW m-2K-2,約是已報(bào)道的可拉伸熱電水凝膠最大值的3倍。通過(guò)低溫控制裝置,研究熱電水凝膠在超低溫狀態(tài)下的熱電輸出,在冷端為-35 ℃條件下,最大輸出功率密度可達(dá)0.64 W/m2,仍表現(xiàn)出較好的熱電性能。作者設(shè)計(jì)了5×5陣列的熱電水凝膠器件,通過(guò)模擬收集低品位的人體熱能,產(chǎn)生的電能可以直接點(diǎn)亮LED3),而不需要任何電壓放大系統(tǒng)。通過(guò)將熱電水凝膠膜放置在正常工作的CPU表面,能夠顯著降低CPU的溫度,同時(shí)產(chǎn)生較大的熱電信號(hào),為高效熱能轉(zhuǎn)換與智能熱管理提供可行方案。


圖 可穿戴應(yīng)用與熱管理研究

  該工作以Stretchable thermogalvanic hydrogel thermocell with record-high specific output power density enabled by ion-induced crystallization”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Energy & Environmental Science》上。文章第一作者為助理研究員張鼎博士,該研究得到科學(xué)技術(shù)部與國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。 


  該工作是馬儒軍教授團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于高性能柔性熱電材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的最新進(jìn)展之一。馬儒軍教授目前為南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院智能熱管理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人,近年來(lái)在主動(dòng)/被動(dòng)制冷材料、柔性熱電材料與器件、高性能柔性導(dǎo)熱復(fù)合材料、能源轉(zhuǎn)換材料與器件等多學(xué)科交叉領(lǐng)域取得了一系列重要的研究成果,并以通訊或第一作者發(fā)表在Science、Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS nano等國(guó)際知名期刊上。實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的材料制備平臺(tái)以及電學(xué)、熱學(xué)等測(cè)試系統(tǒng),并圍繞國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等多項(xiàng)課題,展開(kāi)新能源與智能熱管理技術(shù)方向的研究。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)誠(chéng)招材料、化學(xué)、物理、電子等相關(guān)專(zhuān)業(yè)背景的博士后,歡迎有志之士將個(gè)人簡(jiǎn)歷(pdf)發(fā)送至馬儒軍教授郵箱malab@nankai.edu.cn,郵件標(biāo)題請(qǐng)注明應(yīng)聘博士后+本人姓名+博士畢業(yè)院校”,對(duì)于符合要求并通過(guò)初審者,將會(huì)通知安排面試。招聘啟事在崗位招滿(mǎn)前有效。


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