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重庆大学团队将离子电流转为电子电流,让离子热电材料实现连续工作

DeepTech深科技14601人阅读

离子热-电转换,是针对低品位热能回收利用的热门研究领域。离子热电材料,则是一种建立在 Soret 效应之上的、以离子为载流子来将热能转为电能的材料。

离子热电材料产生的离子电流,不能像电子/空穴电流那样通过导线输送到电子元件中进行利用。因此,当前的离子热电材料都是依靠电极界面的极化电流来实现热电转换。

但是,这种工作方式的能量密度和功率密度都较低,并且工作时需要温差和外电路交替切换,因此无法实现连续的工作。

针对这一领域内存在的问题,重庆大学教授团队在 Soret 效应的基础上引入漂移电流,直接将离子电流转为可以进入外电路的电子电流,让离子热电材料实现了连续工作。


图 | 孙宽(来源:)

与此同时,他们还从理论上推演了离子-电子复合热电材料的载流子迁移规律,得到了离子-电子复合热电材料的塞贝克系数表达式,最重要的是得到了离子-电子复合热电材料的设计原则。同时,相关材料所能达到的能量密度、功率密度和热电压等各项参数都很高。

课题组把这种具备 Soret 效应、能够结合漂移电场从而将离子电流转为电子电流的方式命名为“离子-电子热电协同效应”。其希望该效应能为离子-电子复合热电材料的设计提供指导,并能为离子热电材料的应用化提供新思路。

据介绍,本次工作聚焦于离子热电转换在低品位热能的回收利用。在地球上,低品位热能的规模和分布都非常广泛。在不久的将来,预计这项成果可以为可穿戴器件例如手表、健康监测器件、手机等随身电子元件以及物联网器件提供能量。

除了能源转换之外,还可以将温度、光照、力学性能和电信号实现相互转换,从而用于遥感、医疗、光学传感等领域。

据介绍,这项课题起源于该团队在离子热电领域工作的积累,他们发现离子热电材料在工作机制上存在一些问题:例如能量密度低、热-电转换过程不连续、输出功率密度低,这导致离子热电材料虽然有着毫伏每开尔文级别的高塞贝克系数,但却无法在日常生活生产上进行应用。

于是,课题组试图从根源上来解决上述问题。而他们思考的是:能否既发挥离子热电材料的高塞贝克系数,又借鉴电子热电材料的高输出功率?

所以,该团队先是对离子热电材料的基本工作理论进行深挖,然后借鉴他人的成功经验,从理论上推演了离子-电子复合热电材料中的载流子迁移物理模型。

此外,他们还做出如下推测:上述模型产生的能量密度,大于传统的离子热电材料。为验证上述推测,他们又对材料进行二次设计,期间历经离子-电子导体的设计和载流子选取等步骤,也经历了数次失败。

最终历时两年,课题组终于完成了离子-电子热电协同效应的理论论证和完善。

另据悉,这项研究的核心在于提出和推导了离子-电子热电协同效应。在所推导的载流子迁移物理模型形成之后,他们经常反问自己这个模型是否还存在说服力不足的地方。

为此,他们让全课题组的老师挨个讨论和解释,随后对模型做出进一步的修订。为了寻找一种既能传导离子又能传导电子、还能兼容电解质的材料,该团队下了不少功夫。

一次偶然的情况下,他们想到当时实验室正在用的生物质材料——碳化柚子皮,实验之后发现正好可以满足他们的使用场景。

在确定离子-电子导体之后,该团队的原本思路是将水凝胶注入多孔材料之中。但是,数次实验之后他们又发现水分在温差之下非常容易蒸发,这会导致离子失去溶剂、进而导致材料失效。

又一次偶然的情况下,的学生想起在做其他实验时发现 BMIM:Cl 这种离子液体非常吸水,并且在低湿度和高温下也能确保水分不丢失。

因此,他们又将载流子改成 BMIM:Cl 这种离子液体,实验之后确实发现水分蒸发得比较少。然而,一开始他们观察到的电压仅有几伏到十几毫伏。

就当他们以为实验又要失败时,又发生了一次偶然:在一次热电压的测试中,测试 2 个小时候之后,电压突然开始上升。

进行重复实验之后,他们发现这是由于之前的测试时间不够久,因此导致没有观察到电压的巨幅增长。

后来,他们结合理论推导和实验验证,在论文中对上述现象进行了解释。完成实验之后,大家不禁感叹有时实验的成功恰恰来源于偶然的机会。

但是,认为这更是他们坚持实验探索、不断积累经验、并能及时抓住各种实验现象,再加上学生强烈的求知欲望而产生的结果。

最终,相关论文以《离子-电子耦合使离子热电材料具有新的工作模式和高能量密度》( )为题发在 Nano-Micro Letters 上,该团队的硕士生何勇杰是第一作者,教授担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文(来源:Nano-Micro Letters)

作为一名硕士生,就可以在顶刊发论文,当然值得点赞。但这并不是本次研究的结束,目前课题组正从实验和理论两个方面进行不断地完善,主要目的是将离子-电子复合热电材料的功率最大化。另外,只有进一步地保持水分,才能让材料工作时间变得更长,直至可以达到数月之久。

参考资料:

1.Ion–Electron Coupling Enables Ionic Thermoelectric Material with New Operation Mode and High Energy Density, Nano-Micro Letters, DOI: 10.1007/s40820-023-01077-7https://www.springer.com/journal/40820

排版:朵克斯

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