将环境中的热量收集为电能并为物联网（IoT）传感器供电，将有希望使它们摆脱电缆或电池的束缚，从而适用于可穿戴设备。近日，南方科技大学刘玮书副教授和麻省理工学院陈刚教授（共同通讯作者）研发出了以离子为能量载体的新型室温热电材料，通过离子的扩散熵与氧化还原电对反应熵的协同效应，从而在准固态离子凝胶中实现了高达17mV/K的巨热电势效应，比典型的电子热电材料高了近两个数量级。这种由明胶驱动的概念验证可穿戴设备由25个单极元件组成，可以实现2伏以上的电压和5μW的峰值功率。这种离子明胶显示了利用离子作为能量载体的环境热电能量转换的前景。相关论文以题为“Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature”于发表在6月5日出版的Science上。
论文链接
https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1091
在不使用电缆或电池的情况下，为物联网（IoT）传感器供电的需求引发了对从环境中收集能量的深入研究。一种方法是热电能量转换技术，它是基于塞贝克效应，并使用广泛可得的废热，以满足的IoT传感器的电力需求。常规的电子热电（e-TE）材料通常是使用电子或空穴作为载流子的窄带隙半导体。对于典型的热电材料，热功率（或塞贝克系数）为〜100至200μVK-1。因此，要在室温环境中产生1至5 V的有用电压，就需要对成千上万甚至数万个约50μm的微型热电元件进行具有挑战性的集成，或者通过DC-DC升压器将具有毫米的常规尺寸设备的电压增加多达100倍。
研究人员对准固态离子型热电转换器件提出了一种新的准连续热充电/放电工作模式，可以使器件循环运行100圈，实现5小时的工作时长。准固体离子凝胶可以通过结合离子的扩散熵和氧化还原对的反应熵（化学还原-氧化反应）来实现巨大的热电势效应，其在准固态离子热电材料中获得了17.0 mV K-1的热功率，比典型的电子热电材料高了近两个数量级。
图1.i-TE材料的巨大热电性质
图2.协同效应的工作机制
图3.i-TE单元的工作模式
图4.可穿戴i-TE设备的概念证明
总而言之，作者已经证明了以离子为基础的明胶的i-TE材料巨热电效应，其协同地结合了氧化还原对的热电流效应和离子提供者的热扩散效应。通过对KCl(x=0.8M)和FeCN4-/3-(m/n=0.42/0.25M)的浓度和水比的综合优化，获得了12.7~17.0mVK-1的巨热电势效应。具有25个p型元件的概念验证型柔性i-TE可穿戴设备显示高达2.2 V的高压，是以前报告的i-TE设备的电压的两到三倍。制成的i-TE电池可以长时间连续使用，最大能量密度为12.8 J m-2。这项工作为实现物联网传感器的无电缆和无电池能源供应提供了一种有前途的方法，证明了在热电能量转换中使用离子作为能量载体的希望。（文：Caspar）
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