Angew. Chem. Int. Ed. 利用凝膠電解質收集人體熱量制作可穿戴熱電池

【引言】

現代社會面臨著嚴重的能源危機，因此，開發低成本、環境友好的能源材料勢在必行。人類生活的環境和工業生產中存在著大量的熱能，利用新材料收集這些熱能并將其轉換為電能就是一種很好的解決方案。

【成果簡介】

近日，來自華中科技大學武漢光電國家實驗室的周軍教授（通訊作者）等人開發出了一種新型的凝膠電解質，可以用來收集人體熱量進行發電。不同于太陽能電池、摩擦發電材料、駐極體發電機和傳統的熱電材料，新材料具有較高的塞貝克系數，并且原料廉價，制作簡單，這避免了傳統的固態熱電材料易碎、加工過程復雜的缺點，有望作為電源應用于柔性的可穿戴設備上。

實驗中制備了兩種熱電膠體電解質，分別具有正負塞貝克系數，這與傳統熱電發電機的n型和p型組分對應。新型的膠體電極具有優異的熱電性能和良好的機械強度。基于熱電膠體電解質的熱電發電機可以作為柔性可穿戴設備的電源。實驗結果表明，利用人體熱量進行發電的開路電壓達到1V。

這項工作為自供電的可穿戴系統提供了一種新的思路，利用熱電材料收集熱量，將其轉化為電能的方法具有巨大的應用潛力和研究價值。

【圖文導讀】

圖1 ?熱電池的基本結構和工作原理

左上圖是熱電池的結構圖。聚乙烯醇/氯化鐵/氯化亞鐵膠體(PFC)和聚乙烯醇/鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀膠體(PPF)交替排列，放置在兩層聚酰亞胺(PI)之間，并用Au/Cr電極進行連接。下方的放大圖是熱電材料工作時的原理圖。對于PFC和PPF來說，當環境中存在溫差時，二者內部就會產生方向相反的電流，因此將其連接起來就可構成回路。右上圖為熱電材料集成電路的光學照片。

圖2 ?熱電膠體的物理狀態和機械性能

圖a為用激光照射膠體溶液時的照片。其中a1)為 PFC 膠體， a2)為FeCl2/FeCl3溶液， a3)為PPF膠體，a4)為 K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6溶液。光線穿過液體時發生了明顯的光散射，說明制備的液體十分均一。

圖b為PFC和PPF膠體薄膜的應力-應變曲線。在較大的應力下，PFC和PPF膠體薄膜都表現出了良好的可塑性和機械性能。

圖3 ?單個PFC和PPF的熱電性能

圖a是熱電壓隨溫差的變化圖。圖b是短路電流隨溫差的變化圖。實驗中，保持熱電池熱端和冷端的距離為1mm，每個電極直徑為3mm。熱端和冷端的溫度分別由電加熱板和循環水控制。圖b中的小圖是在溫差為10℃時，電流隨時間的變化曲線。

圖c是電導率隨溫差的變化圖。圖d是在室溫(23℃)時的熱導率。圖中黑色曲線代表PFC，紅色曲線代表PPF。

圖4 將PFC和PPF用Au/Cr電極連接后的熱電性能

圖a是電壓和電流隨溫差的變化圖。其中黑色直線為電壓-溫差圖，紅色直線為電流-溫差圖。圖a中的小圖為PFC和PPF用Au/Cr電極連接的示意圖。

圖b是在溫差為10℃時，穩態電壓和輸出功率隨電流的變化圖。圖中黑色直線為電壓-電流圖，紅色曲線為功率-電流圖。

圖5 可穿戴熱電池的應用

圖a是利用人體熱量進行發電時的電壓-時間圖和電流-時間圖。圖中黑色曲線為電壓-時間圖，紅色曲線為電流-時間圖。小圖是將可穿戴熱電池與人體胳膊相連的照片。

圖b是利用人體熱量發電對不同電容器進行充電時的電壓-時間圖。小圖是為電容器充電時的能量-時間圖。其中黑色、紅色、藍色曲線分別是10μF、47μF、100μF的電容器。

文獻鏈接：Wearable Thermocells Based on Gel Electrolytes for the Utilization of?Body Heat (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI:10.1002/anie.201606314)

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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