【文章概述】

       随着物联网全球市场的快速增长，可穿戴电子产品无处不在。而这些电子产品需要电源来支撑，能够连续工作且能够机械地适应动态人机界面的电池成为研究的热点。与许多需要定期充电的电源，包括电容器、太阳能电池和锂电池相比，半导体热电发电机和热电池在通过持续收集低品位热能提供可持续电力方面具有优势。但是，无机半导体热电发电机的潜在毒性、机械脆性和合成难度阻碍了其在可穿戴电子系统中的应用。液态热电池因其生态友好、可塑形液态电解质和相对较高的热功率（塞贝克系数）的特性有望成为物联网时代新型电源的候选产品。但是最先进的准固态热电池也面临着机械性能差和输出功率密度低的挑战，因此准固态热电池的道路依旧曲折，需要开发新的途径来实现它的价值。

【成果简介】

东华大学武培怡教授团队受生物组织中拓扑纠缠多网络的启发，自主开发双交联网络结构，解决当前准固态热电池中的机械性能不足及热电性弱的问题。第一网络结构增大热功率且拉伸卷曲链，为第二网络提供支撑。第二柔性网络结构与第一网络相辅相成，用以增加其机械性能。目前所知，这是第一代可拉伸和坚韧的准固态热电池。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待!

【图文导图】

图1双网络热电偶的设计。

(A) 在温度梯度场中添加氧化还原对 [Fe(CN)₆^4-/Fe(CN)₆^3-] 的热电池示意图。热电池通过聚电解质溶胀增强的双网络交联。

(B) K₄Fe(CN)₆水溶液和添加 AMPS 的 K₄Fe(CN)₆水溶液的紫外-可见光谱。

(C) K₃Fe(CN)₆水溶液和添加AMPS 的K₃Fe(CN)₆水溶液的UV-vis 光谱。

(D)与Fe(CN)₆^4- 的分子间相互作用强于与Fe(CN)₆^3- 的AMPS单元的示意图。

(E) 双网络热电池的照片。

图2 热电池的热电特性。

(A)不同[Fe(CN)6^4-/Fe(CN)6^3-]浓度的双网络热电偶的塞贝克系数和电导率。

(B) 不同NaCl浓度下热电池的塞贝克系数和电导率。

(C) 具有0.4 M [Fe(CN)6^4- /Fe(CN)6^3- ]/3 M NaCl 的双网络热电池的电流密度-电压曲线以及不同DT（冷端温度）下的相应功率密度。

图3机械性能及综合比较。

(A)厚度为3毫米，宽度为5毫米的双网络热电池可以举起一袋重量为1.5公斤的橙子。红色圆圈表示热电池的位置。

(B) 双网络热电偶 (无缺口) 的应力应变曲线。

(C)双网络热电偶与现有的准固体热电偶在韧性、杨氏模量、拉伸能力、自适应、等方面的比较。

图4 热电池变形时的输出电压、电流和功率。

(A)双网络热电偶的电压-时间曲线(蓝色)和电流-时间曲线(红色)，其中一端受人体温度加热。用一块金属板反复切割热电池。

(B)热电池被金属板切割的照片。

(C)反复拉伸热电偶的电压-时间曲线(蓝色)和电流-时间曲线(红色)。

(D)热电池被拉伸的照片。

(E)热电池的电压-时间(蓝色)和电流-时间(红色)曲线被反复弯曲。

(F)热电池被弯曲的照片。

(G)当DT从10到40k变化时，热电池的输出功率与负载电阻的关系。

(H)当热电池拉伸到0%-40%时，热电池的输出功率与负载电阻的关系。

(1)热电池弯曲角度为0°-90°时，热电池的输出功率与负载电阻的关系。

图5使用坚固的热电池点亮LED的概念验证演示。

(A)双网络热电池通过收集低品位的热量点亮led的示意图。

(B)连续电压输出，收集低档热量和应用温差电池的温差曲线。

(C)在温度梯度中不断点亮led的热电池的照片。

(D)抵抗钢刀片切片的热电池的照片。热电池保持物理完整性，并持续点亮led。

(E)热电池被拉伸的照片。热电池是可回收的，并持续点亮led。

【奇材馆点评】

       本工作通过在液体电解质中依次引入多网络来开发准固体热电池，第一个溶胀增强的聚电解质网络不仅与氧化还原离子对相互作用并扩大热电势，而且还拉伸螺旋链，为基质提供了强大的支持。第二个柔性网络与第一个网络具有协同效应，用于能量耗散以增强其机械性能。强大的双网络能够加载高浓度电解质并将离子电导率提高一个数量级。双网络热电偶表现出217%的拉伸性，150 kPa杨氏模量，甚至韧性高于软骨，而且达到了最高准固态热电池的功率密度等级。热电池在切割、拉伸和弯曲时可以输出稳定的功率并点亮LED。这是第一代可拉伸且坚韧的准固体热电池。这项工作打破了机械限制并优化了热电偶的热电性能，未来将有望实现物联网时代自供电可穿戴电子设备。

【论文信息】

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