基于凝膠電解質的可穿戴式熱電化學電池

裴艷中

(同濟大學材料科學與工程學院，上海200092)

基于凝膠電解質的可穿戴式熱電化學電池

裴艷中

(同濟大學材料科學與工程學院，上海200092)

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

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

針對上述問題，華中科技大學武漢光電國家實驗室(籌)周軍教授課題組提出一種基于凝膠電解質的熱電化學電池。利用熱電化學效應(thermogalvanic effect)2，將兩個處于不同溫度的電極置于含有氧化還原對的電解質中，通過溫差在電極間產生電勢差(圖1a)。這種熱化學電池能有效滿足可穿戴電池的柔韌性需求，同時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)。基于118塊該凝膠圓柱，同時利用交叉金屬電極實現電池串聯，所集成的電池器件可輕易配戴于手臂上。當環境溫度為5°C時，可以產生0.7 V左右電壓和2 μA電流(圖1b)。進一步對系統和電極材料進行優化，可期待產生更大的電力輸出3。

研究工作最近發表在Angewandte Chemie International Edition雜志上4。盡管當前所獲得的電力輸出和傳統熱電器件相比仍有一定差距，但這一工作對于設計發展柔性熱電化學材料與器件及可穿戴自供電系統有重要指導意義。

(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