柔性准固态热电化学电池：热电化学效应和力学性能协同调控

1. 利用氧化还原电对Fe³⁺/Fe²⁺以实现热-电转换和离子交联的双重功能。

可穿戴电子设备不断发展，对机械柔韧性好、力学强度优良、热电化学性能稳定的能源供给系统需求越发迫切。在本文中，深圳大学陈光明教授、刘卓鑫助理教授等合理设计了一种基于水凝胶电解质的柔性准固态TECs，采用氧化还原电对Fe³⁺/Fe²⁺的多价离子同时调控热电化学效应和力学强度。引入的氧化还原离子不仅赋予了水凝胶优异的热电转换能力，而且作为离子交联中心以形成双交联网络结构，从而实现基于可逆离子键的有效能量耗散。在优化的Fe³⁺/Fe²⁺浓度下，TECs表现出1.43 mV K⁻¹的高Se和3555 J m⁻²的高断裂韧性，从而可以保证在各种苛刻的外部机械应力刺激下保持稳定的热电化学性能。这项研究展示了所制备的准固态TECs在实际应用环境复杂的可穿戴电子领域的巨大潜力。

为简化起见，离子交联前含有海藻酸钠盐的PAAm水凝胶称为PAAm/Alg，PAAm/Alg与Fe³⁺/Fe²⁺离子交联后的水凝胶称为PAAm/Fe-Alg。图1a清晰地展示了此TECs的水凝胶电解质包含两个交联网络，即共价交联的聚丙烯酰胺(PAAm)网络和离子交联的海藻酸盐(Fe³⁺/Fe²⁺和海藻酸根之间)网络，图1b形象地体现了共价交联和离子交联的结构示意图。

II TECs的热电化学性能分析

III TECs的力学性能分析

图4. (a) 各种具有稳定Se和(b) 具有最大Se的PAAm/Fe-Alg水凝胶的应力-应变曲线。(c) 各PAAm/Fe-Alg水凝胶的弹性模量。(d) 0.01 M-0.25 h PAAm/Fe-Alg水凝胶的滞回曲线。(e) 用于计算断裂韧性的0.01 M-0.25 h PAAm/Fe-Alg水凝胶的力-距离曲线。Lc指缺口变成运行裂纹时的临界距离。(f) 纯PAAm、PAAm/Alg和0.01 M-0.25 h PAAm/Fe-Alg水凝胶的断裂韧性对比。(g) 对强韧的0.01 M-0.25 h PAAm/Fe-Alg水凝胶进行切割的照片。(h) 对强韧的0.01 M-0.25 h PAAm/Fe-Alg水凝胶进行压缩的照片。

IV 机械刺激下的输出性能及应用展示

图5. (a) TECs在不同拉伸应变下的热电化学性能。(b) 在10 K温差下单个TEC的输出性能。(c) 在人体和环境的温差下，用单个TEC点亮一个LED的照片。在演示过程中借助使用了电压放大器。(d) TECs在不同角度弯曲后的输出电压。(e) TECs弯曲达300次后的输出电压。(f) TECs扭曲300次后的输出电压。(g) TECs锤击300次后的输出电压。(h) TECs切割300次后的输出电压。(i) 在苛刻机械刺激下的有效能量耗散机制的示意图。蓝色球体代表共价交联，红黄球体代表可逆的离子交联。