Advanced Energy Materials: 高塞贝克系数离子液体凝胶热电应用

目前,传统工业绝大部分热能都以废热的形式散发到环境中。收集并利用废热实现可持续发展具有重要意义。因而,进一步提高能源的利用率,成为研究者们关注的焦点。 在已有的热电转换技术中,热电发电机具有结构简单和易于制造等优点。但传统的热电材料的塞贝克系数取决于费米面的电子,只有几十至几百mV/K。而且, 通过改变载流子浓度等方式进一步提高塞贝克系数不可避免得导致其电导率的下降。相较传统的电子热电材料,离子导体可以有mV/K量级的塞贝克系数。但离子导体的电导率通常远小于电子导体。因此, 发展提高离子塞贝克系数和离子电导率的有效方法成了现在离子热电材料研究的重点。

最近,新加坡国立大学欧阳建勇团队成功地利用离子液体和各类聚合物制备了准固态柔性凝胶。通过调控离子液体与聚合物的比例,离子液体凝胶可以有高达26 mV/K的离子塞贝克系数。这是迄今在电子型和离子型热电材料里观察到的最高的塞贝克系数。由于对应的离子电导率为6.7 mS/cm, 以及材料自身的低热导率0.176 W/(mK),这种离子液体凝胶在室温的ZT可达到0.75,已经优于绝大多数的有机电子热电材料。

研究表明,离子液体凝胶的电导率随着离子液体含量的上升而增加,而离子塞贝克系数随离子液体含量先减小后增加。此外,除了离子液体的类型,凝胶中网状结构聚合物对于离子塞贝克系数有着重要的作用。该团队发现高塞贝克系数与凝胶中聚合物的官能团极性有关,且极性越大,塞贝克系数越高。此外,该离子凝胶还能通过四步热循环过程以电容充放电的形式将热能巧妙地转换成电能。用传统热电材料相似,其转换效率可以表示为由塞贝克系数,电导率和热导率组合成的优值。

该工作以“Flexible Quasi-Solid State Ionogels with Remarkable Seebeck Coefficient and High Thermoelectric Properties”发表在Advanced Energy Materials (DOI/10.1002/aenm.201901085)上。