[发明专利]用于低品位热量收集的具有高热电势的可拉伸离子水凝胶

说明书

一种离子热电(i‑TE)水凝胶，其基于索雷特效应将热量转换为电能，以及包含该离子热电水凝胶的装置和方法。该离子热电水凝胶包括与藻酸盐交联的聚丙烯酰胺、1‑乙基‑3‑甲基咪唑四氟硼酸盐和聚二醇。

技术领域

公开了将热量转换为电能的离子热电水凝胶，以及包含该离子热电水 凝胶的装置和方法。

背景技术

从初级发电到数据中心乃至人体，普遍存在低品位热量(Low-grade heat)(100℃)。将低品位热量转换为电能提供了获取有吸引力的能源的 途径，该能源丰富、廉价、可持续且对环境友好。包括无机半导体和有机 导电聚合物的热电发生器(TE)可以依靠塞贝克效应(Seebeck effect)来 收集该能源，其中，电子响应于温差而迁移。问题是，发现最高的塞贝克 系数为+250μV K^-1的碲化铋锑，以及+72μV K^-1的二甲亚砜和乙二醇-改性 的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)聚合物, 其在有限的温度范围内产生非常小的输出电压，致使它们迄今尚未实际应 用，除非成千上万个TE集成到一个单元中。

“离子”具有补充“电子”的潜力，并且在离子热电系统中使用热电流效 应(thermogalvanic effect)和索雷特效应(Soret effect)。通过依赖于温度 的氧化还原反应，直接热充电电池(DTCC)在水性系统中输送+5mV K^-1的热电势，而热电化学电池(TEC)在准固态系统中产生+1.8mV K^-1的热 电势。相比之下，通过索雷特效应调节离子通量通常在生成高热电势方面 更优越。在具有纤维素膜以促进Na⁺迁移的聚(环氧乙烷)-氢氧化钠(PEO-NaOH)水溶液中，获得了创最高纪录的+24mV K^-1的热电势。同 样，掺杂有聚(4-苯乙烯磺酸)(PSSH)的PEDOT：PSS聚合物膜选择性 地促进了质子(H⁺)的迁移，并达到了+16.2mV K^-1的热电势。由于在温 度梯度下离子热电系统采用的典型阳离子(例如H⁺和Na⁺)比阴离子(例 如PSS^-和OH^-)更容易移动，因此基于n型带电载流子(即阴离子)的索 雷特效应开发高热电势的尝试很少见。

发明内容

以下提供了本发明的简化总结，以便提供对其某些方面的基本理解。 该总结不是本发明的广泛概述。它既不旨在标识本发明的关键或重要元 素，也不旨在描绘本发明的范围。而是，该总结的唯一目的是以简化的形 式呈现本发明的某些概念，作为在下文呈现的更详细描述的序言。

在工业过程、环境、物联网(IoT)终端甚至人体中普遍存在低品位 热量(100℃)。然而，在将低品位热量的能量的物质层面转换为电能的 技术中存在很大的挑战。到目前为止，包括无机半导体和有机导电聚合物 在内的常用热电发生器(TEG)可以基于塞贝克效应收集热能，但效率低 且热电势低。本文描述了一种用于将热量转换为电能的可拉伸的离子热电 (i-TE)水凝胶，其具有极大的热电势和机械柔性。这项新颖的热量至电 能的转换技术为热能收集提供了新的指导，并为自供电的物联网终端、可 穿戴装置和电子皮肤开辟了新的方向。

为了实现前述和相关目的，本发明包括下文中充分描述并且在权利要 求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性方 面和实施方式。然而，这些仅指示可以采用本发明的原理的各种方式中的 几种。当结合附图考虑时，根据本发明的以下详细描述，本发明的其他目 的、优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

该专利或申请文件包含至少一个彩色附图。基于请求并支付必要的费 用，专利局将提供带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。