學院張興、馬維剛課題組在離子熱電轉換研究中取得重要進展

離子熱電轉換是以離子為載流子實現熱能與電能直接轉換,具有毫伏級塞貝克系數、良好延展性和低成本等優勢。離子熱電的巨塞貝克效應為開發高性能熱電器件開辟了全新途徑,在星際探測、自供電系統等航天領域及智能穿戴、柔性電子等民用領域具有廣闊的應用前景。但基于離子熱擴散機制的熱電轉換中,離子只能在電極處聚集而無法穿過電極界面,導致離子熱電轉換在恒定溫差下無法對外循環連續供電,極大地限制了離子熱電的實際應用。

圖1:(a)雙性P/N型測試結構示意圖,(b)采用碳管電極和銅電極測試數據圖,(c)P型和N型塞貝克系數數值對比圖,(d)可循環離子熱電發電器件工作原理示意圖,(e)發電過程中離子分布圖,(f)可循環離子熱電發電器件實物圖,和(g)發電器件在恒定溫差下工作數據圖。

清華大學張興教授、馬維剛副教授課題組和香港科技大學黃寶陵教授課題組合作報道了一種基于電極可逆調控離子熱電材料P/N型的離子熱電發電器件(圖1),該器件可在恒定溫差下循環連續發電。研究人員發現固態離子熱電復合材料(PVDF-HFP/NaTFSI/PC,PNP),采用金屬(銅、金和鉑)作為測試電極時展示出P型(塞貝克系數為+20mV/K),采用碳納米管電極(單壁、多壁和陣列碳管)時表現為N型(塞貝克系數為-10.2mV/K),并通過切換電極實現可逆調控。

基于此,研究人員設計了一種新型可循環連續發電的離子熱電發電器件。該發電器件始終與熱源接觸且維持恒定溫差,僅通過切換碳管電極和銅電極,使熱電器件交替呈現P型和N型,從而實現陰/陽離子交替主導熱擴散過程,在恒定溫差下連續產生電量,并具有高穩定性和循環特性。相比于傳統離子熱電需要不斷開啟/關閉熱源的發電模式,該研究提出的新離子熱電模式不僅無需改變發電器件與熱源之間的熱接觸,并且可以在穩定熱源下循環發電,極大地推動了離子熱電的實用化進程。

圖2:(a)原位拉曼測試示意圖,陰離子在(b)碳管電極和(c)銅電極界面處的拉曼測試圖譜,陰離子在碳管和銅電極界面處(d)徑向分布函數和(e)拉曼峰峰值隨時間變化圖,(f)陰、陽離子與不同電極之間的相互作用力,(g)陰、陽離子在不同電極界面分布模擬圖。

僅通過改變接觸電極而不改變材料本身實現可逆調控塞貝克系數是離子熱電轉換循環連續供電的關鍵一步,與傳統通過材料改性調控塞貝克系數具有本質不同,尤其是傳統方法無法實現可逆調控。研究人員揭示了電極調控離子熱電材料P/N型的微觀機制(圖2):分子動力學和第一性原理計算發現該離子熱電材料中的陰、陽離子與不同電極接觸時,形成不同強度的相互作用力。其中,碳管電極與陽離子間相互作用力比陰離子更強,可將部分陽離子束縛在碳管電極界面附近。

同時,由于不同電極與陰、陽離子間的晶格匹配度不同,陰離子在碳管電極的分布類似于晶體式有序排列,降低了陰離子在擴散過程中發生相互碰撞的可能性,有助于其進行熱擴散,而陽離子在碳管界面近似無序排布,減緩了陽離子熱擴散。研究人員通過實時原位拉曼光譜掃描也證實碳管電極處的陰離子擴散活躍主導了熱擴散過程,相反,銅電極附近陰離子擴散緩慢。相關成果以“基于可逆雙性塞貝克系數離子熱電材料的循環式熱電發電”(Reversible bipolar thermopower of ionic thermoelectric polymer composite for cyclic energy generation)為題,于2023年1月19日在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications,14, 306, 2023)期刊上。

清華大學學院博士后赤騁(現已出站,為華北電力大學能動學院副教授),香港科技大學博士生劉公澤,清華大學在職博士后、陜西科技大學副教授安盟為文章的共同第一作者。清華大學學院馬維剛副教授、香港科技大學機械與航空航天系黃寶陵教授為該文章共同通訊作者,清華大學為該文章的第一單位。合作者包括華北電力大學杜小澤教授等。本研究得到了國家自然科學基金、清華-豐田聯合基金、北京協同創新研究院和香港研資局等項目的資助。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41467-023-36018-w


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