水性热电池对环境友好，能够将低级热能持续转化为电能，在各种应用场景中为灵活的可穿戴设备提供动力是很有前途的候选者。然而，其有限的工作温度、机械脆性和较差的热电性能仍然存在挑战，这主要是由于聚合物链和热电离子在低温下的熵降低。
在这项工作中，东南大学等单位的研究人员通过引入协同杂化电子来破坏强氢键，增加聚合物的熵弹性，并扩大热原电池离子的熵差，从而解决这一关键挑战。本文设计了一种由共聚单体和共溶剂组成的有机水凝胶热电池。该热电池的最大归一化功率密度达到0.1mW m−2K−2，与目前准固体热电池的最高记录处于相同数量级。即使在−30°C下，热电池的断裂伸长率也保持在100%以上，并保持了0.012 mW m−2K−2的相对较高功率密度。此外，该热电池具有点亮发光二极管的潜力，并且在较宽的温度范围内压缩、弯曲和拉伸时都能稳定工作。这项工作为开发可靠的电源以在极端寒冷的环境中持续驱动柔性电子产品提供了见解。更多精彩专业视频请抖音搜索:材料科学网。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202104071
图1| 工作在零下温度下的热电池组的设计。
图2| 有机水凝胶热电池的热电和机械性能。
图3| 变形过程中有机水凝胶热电池的输出电压和电流。
图4| 有机水凝胶热电池在变形过程中的输出功率及其与现有准固态热电池的比较。
图5| 使用有机水凝胶热电池在室温或寒冷环境下点亮LED的概念验证演示。
综上所述，本文设计了一种具有本质可伸缩性和生态友好性的有机水凝胶热电池，具有协同作用等特性，以应对电源在极低温度下要求耐磨性、灵活性和连续工作模式所遇到的挑战。通过杂化效应等干扰强氢键，有机水凝胶热电池不仅在−50°C下也能防冻，而且表现出增强的热电性。该热电池的最大归一化功率密度达到0.1mW m−2K−2，与目前准固态热电池的最高记录相同数量级。即使在−30°C下，有机水凝胶热电池的断裂伸长率也保持在100%以上，并保持了相对较高的功率密度(0.012 mW m−2K−2)。
此外，本文还证明，有机水凝胶热电池可以点亮发光二极管，并在较宽的温度范围内压缩、弯曲和拉伸时提供稳定的电压输出。据本文所知，在极端寒冷的环境中工作的是第一代软可伸缩热电池。本文相信，这项工作中研究的工作机制和混沌电子效应等也将为解决高海拔地区、南极/北极甚至外层空间需要持续供电的可伸缩、可穿戴和便携式设备所面临的挑战提供灵感。
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