基于凝胶电解质的可穿戴式热电化学电池

裴艳中

(同济大学材料科学与工程学院，上海200092)

基于凝胶电解质的可穿戴式热电化学电池

裴艳中

(同济大学材料科学与工程学院，上海200092)

随着可穿戴电子器件的发展，如何给它们供能的问题逐渐引起人们的关注。直接从环境或人体获取能量对电子器件进行供能，构造自驱动能源系统是行之有效的思路。人体的活动和代谢会持续产生热量，使得皮肤和外界环境会产生一定的温差1。通过热电转换的方式将这部分热能转化为电能，可为穿戴自驱动系统提供稳定可靠的电力来源。传统的热电转换一般是基于无机固体半导体材料的Seebeck效应，这些材料制备常涉及高温过程，且不具备柔韧性，在可穿戴自驱动系统中的应用具有一定的局限性。

图1 (a)热电化学电池工作原理和集成器件示意图与实物图；(b)集成热电器件利用人体热能的电学性能输出4

针对上述问题，华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)周军教授课题组提出一种基于凝胶电解质的热电化学电池。利用热电化学效应(thermogalvanic effect)2，将两个处于不同温度的电极置于含有氧化还原对的电解质中，通过温差在电极间产生电势差(图1a)。这种热化学电池能有效满足可穿戴电池的柔韧性需求，同时这种凝胶还可以解决电解液在器件中的封装和集成难题。该研究小组将FeCl2/ FeCl3和K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6分别溶于聚乙烯醇(PVA)溶液，得到了两种不同极性的热电凝胶(图1a)。基于118块该凝胶圆柱，同时利用交叉金属电极实现电池串联，所集成的电池器件可轻易配戴于手臂上。当环境温度为5°C时，可以产生0.7 V左右电压和2 μA电流(图1b)。进一步对系统和电极材料进行优化，可期待产生更大的电力输出3。

研究工作最近发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上4。尽管当前所获得的电力输出和传统热电器件相比仍有一定差距，但这一工作对于设计发展柔性热电化学材料与器件及可穿戴自供电系统有重要指导意义。

(1) Suarez,F.;Nozariasbmarz,A.;Vashaee,D.;Öztürk,M.C. Energy Environ.Sci.2016,9,2099.doi:10.1039/c6ee00456c

(2) Quickenden,T.I.;Mua,Y.J.Electrochem.Soc.1995,142,3985. doi:10.1149/1.2048446

(3) Im,H.;Kim,T.;Song,H.;Choi,J.;Park,J.S.;Ovalle-Robles,R.; Yang,H.D.;Kihm,K.D.;Baughman,R.H.;Lee,H.H.;Kang, T.J.;Kim,Y.H.Nat.Commun.2016,7,10600.doi:10.1038/ ncomms10600

(4) Yang,P.;Liu,K.;Chen,Q.;Mo,X.;Zhou,Y.;Li,S.;Feng,G.; Zhou,J.Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,12050.doi:10.1002/ anie.201606314

10.3866/PKU.WHXB201610101