东北林业大学李志国刘旸白龙团队《EES》：双选择性热电离子凝胶实现低品质热能高效收集与利用

  温差自主发电技术具有非常明显优势，即能源几乎取之不尽，可以有效满足全球物联网(IoT)设备的供电需求。离子热电电池 (ITEC)是一种很有前途 的能源转换装置，能够适用于环境能源收集和转换低质量热能为电能，完美解决IoT设备的供电挑战。但 ITEC的实际应用受到了由有限温差产生的低电压和低能量密度的限制。近年来，尽管在提高ITEC性能方面取得了巨大进展，但这种方法缺乏普遍适用性，成为在各种各样的环境中普遍的使用的主要瓶颈。

  东北林业大学李志国教授团队提出了一种通过利用单一电解质热扩散和氧化还原效应的协同作用来提高热功率和输出特性的全新策略。他们设计了双网络结构的离子凝胶—壳聚糖/胍/三聚氰胺(CG-MA)-FeCl3/2作为该装置的离子热电材料，通过将双胍盐接枝到凝胶网络上，加速了正离子和负离子(Fe3+-Cl/Fe2+-Cl)的选择性分离，明显地增强了热扩散效应。此外，由于三聚氰胺对金属离子的吸附作用，发现CG-MA凝胶网络结构在冷端选择性地与Fe3+离子络合。可观的热电效应可归因于凝胶诱导的CG-MA凝胶吸附同时增强了氧化还原对的熵变和浓度差。因此，优化后的CG-MA的热功率为-7.24 mV K-1。双胍盐凝胶网络结构提供的高离子电导率使CGMA离子电池在最佳温度范围内达到破纪录的90分钟输出单位体积内的包含的能量(E90min = 17.93 kJ m-2)。这项研究为设计高性能ITEC提供了概念验证，促进了低品位环境热能的高效利用。该工作以“Double selective ionic gel with excellent thermopower and ultra-high energy density for low-quality thermal energy harvesting”为题发表在《Energy & Environmental Science》上（IF=32.5）。东北林业大学博士生胡锦东为第一作者，通讯作者为白龙教授、刘旸副教授和李志国教授。

  图1 离子热电凝胶的全组分利用设计。(a)热电池的结构设计和组分调控示意图，以使位于温度梯度场的氧化还原对Fe3+/2+和Cl-离子的热电偶和热扩散效应协同作用。(b)施加25 K温差后CG-MA4%离子凝胶不同位置的元素Cl相对含量。(c) FeCl3和(d) FeCl2水溶液在添加或不添加CG-MA4%时的紫外可见光谱。

  图3离子凝胶的热电性质。(a)不同ΔT值时壳聚糖、CG和CG-MA4%开路电压(Voc)。热功率对(b)双氰胺和(c) MA浓度的依赖性。(d)电压输出及相应功率输出。(e)不同ΔT下CG-MA4%离子凝胶热电池输出电压-电流密度-功率密度曲线时，壳聚糖、CG和CG-MA4%的循环伏安曲线热电效应耦合增强机理。(a)双氰胺和MA协同提高ITEC热功率的工作机理图。(b)凝胶网络中Cl-离子快速跳跃迁移的机理。(c)热电压与冷电极处Fe3+浓度差的关系。(d) FeCl2、FeCl3、MA和干燥沉淀物的XRD谱图。(e)三种离子凝胶的XRD谱比较。

  图5 ITEC的输出性能。(a)显示ITEC工作方式的示意图。(b)外接电阻20 Ω下三个工作级的实测电压和电流曲线(c)第ii级使用不相同外接电阻90min的输出功率密度。(d)使用不同外接电阻产生的相应单位体积内的包含的能量，通过将输出功率与时间(90 min)积分计算得到，如图(5b)所示。(e)基于单一热扩散和协同效应的单位体积内的包含的能量与已报道的i-TE电池的性能比较。(f)准连续热充放电时的热电压分布图。(g)每个周期的最大输出电压和最大输出电流。(h)温差环境下，4个ITEC串联在加热器上的i-TE设备产生的电压(ΔT = ~20 K)。(i)采集环境热量后i- TE设备输出电压、功率与输出电流的关系。(j) e-TE与i-TE装置在环境中的输出电压和功率性能比较。N表示可穿戴设备中热电元件的个数。

  声明：仅代表作者本人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下面进行留言指正！