裴艷中

(同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092)

基于凝膠電解質(zhì)的可穿戴式熱電化學(xué)電池

裴艷中

(同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092)

隨著可穿戴電子器件的發(fā)展，如何給它們供能的問題逐漸引起人們的關(guān)注。直接從環(huán)境或人體獲取能量對電子器件進(jìn)行供能，構(gòu)造自驅(qū)動能源系統(tǒng)是行之有效的思路。人體的活動和代謝會持續(xù)產(chǎn)生熱量，使得皮膚和外界環(huán)境會產(chǎn)生一定的溫差1。通過熱電轉(zhuǎn)換的方式將這部分熱能轉(zhuǎn)化為電能，可為穿戴自驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電力來源。傳統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換一般是基于無機(jī)固體半導(dǎo)體材料的Seebeck效應(yīng)，這些材料制備常涉及高溫過程，且不具備柔韌性，在可穿戴自驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的局限性。

圖1 (a)熱電化學(xué)電池工作原理和集成器件示意圖與實(shí)物圖；(b)集成熱電器件利用人體熱能的電學(xué)性能輸出4

針對上述問題，華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室(籌)周軍教授課題組提出一種基于凝膠電解質(zhì)的熱電化學(xué)電池。利用熱電化學(xué)效應(yīng)(thermogalvanic effect)2，將兩個(gè)處于不同溫度的電極置于含有氧化還原對的電解質(zhì)中，通過溫差在電極間產(chǎn)生電勢差(圖1a)。這種熱化學(xué)電池能有效滿足可穿戴電池的柔韌性需求，同時(shí)這種凝膠還可以解決電解液在器件中的封裝和集成難題。該研究小組將FeCl2/ FeCl3和K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6分別溶于聚乙烯醇(PVA)溶液，得到了兩種不同極性的熱電凝膠(圖1a)?；?18塊該凝膠圓柱，同時(shí)利用交叉金屬電極實(shí)現(xiàn)電池串聯(lián)，所集成的電池器件可輕易配戴于手臂上。當(dāng)環(huán)境溫度為5°C時(shí)，可以產(chǎn)生0.7 V左右電壓和2 μA電流(圖1b)。進(jìn)一步對系統(tǒng)和電極材料進(jìn)行優(yōu)化，可期待產(chǎn)生更大的電力輸出3。

研究工作最近發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition雜志上4。盡管當(dāng)前所獲得的電力輸出和傳統(tǒng)熱電器件相比仍有一定差距，但這一工作對于設(shè)計(jì)發(fā)展柔性熱電化學(xué)材料與器件及可穿戴自供電系統(tǒng)有重要指導(dǎo)意義。

(1) Suarez,F.;Nozariasbmarz,A.;Vashaee,D.;?ztürk,M.C. Energy Environ.Sci.2016,9,2099.doi:10.1039/c6ee00456c

(2) Quickenden,T.I.;Mua,Y.J.Electrochem.Soc.1995,142,3985. doi:10.1149/1.2048446

(3) Im,H.;Kim,T.;Song,H.;Choi,J.;Park,J.S.;Ovalle-Robles,R.; Yang,H.D.;Kihm,K.D.;Baughman,R.H.;Lee,H.H.;Kang, T.J.;Kim,Y.H.Nat.Commun.2016,7,10600.doi:10.1038/ ncomms10600

(4) Yang,P.;Liu,K.;Chen,Q.;Mo,X.;Zhou,Y.;Li,S.;Feng,G.; Zhou,J.Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,12050.doi:10.1002/ anie.201606314

10.3866/PKU.WHXB201610101