[發明專利]一種抗低溫柔性熱電材料、熱電池及其制備方法

有效

• 申請號: 202110533927.1
• 申請日: 2021-05-17
• 公開（公告）號: CN113260101B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 陳永平;高崴;雷周玥
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M6/36
• 分類號: H01M6/36;C08J3/075;H01M10/0565
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王斌

本發明公布了一種抗低溫柔性熱電材料、熱電池及其制備方法，其中抗低溫柔性熱電材料由柔性可拉伸基體與氧化還原電對交聯后引入多元醇得到；其中，所述柔性可拉伸基體由聚電解質單體和水溶性單體共聚獲得。所述氧化還原電對與多元醇及水形成混合物，所述柔性可拉伸基體浸泡在混合物中進行溶劑交換得到所述柔性熱電材料。本發明制作方便，生產周期短，生產成本較低，易于批量化生產，熱電池性能高，機械性能好，抗低溫性能優異，這些特點為抗低溫柔性熱電池在高海拔地區、南北極甚至外太空等極低溫環境下的應用提供了廣闊的前景。

技術領域

本發明涉及一種熱電材料及由熱電材料制成的熱電池，具體涉及的是一種為解決極端低溫環境中低品位熱能利用問題而設計的具有抗低溫及柔性可拉伸特征，并直接將低品位熱能轉換為電能的熱電材料、熱電池及其制備方法。

背景技術

柔性電子技術的飛速發展建立了人與外界系統的直接信息傳輸，拓展了人類工作生活的交互式應用場景，并引發了現代電子工業的一場革命。電子皮膚、生物信息傳感器、軟體機器人和折疊屏等典型柔性電子器件已經逐漸被商業應用，改變著人們的日常生活。目前，柔性電子器件的能量供應主要是超級電容器、鋰離子電池、太陽能電池和摩擦發電器等。然而，超級電容器和鋰離子電池需要周期性的充放電，不能持續的輸出電能；太陽能電池依賴于氣候條件不斷進行光電轉換；摩擦發電器需要介電材料不間斷的相互運動充電。如何實現長期穩定的連續能源供應仍然是一個巨大的挑戰。

從環境中持續地將低品位熱能（如人體一直產生的熱能）轉換為電能的熱電材料在柔性電子器件供能方面具有巨大的潛能。常規的無機熱電材料通常摻雜有毒的金屬元素，展現出機械脆性，而且較低的電導率導致其熱電優值較低。有機半導體熱電材料雖然柔軟可拉伸，但其塞貝克系數通常小于0.1 mV K^-1，熱電效率較低。水系離子熱電池具有高離子電導率和塞貝克系數的優點，但其在使用中會遇到溶液泄露的風險。有機準固態離子熱電池是同時兼具高性能、環境友好及柔性可拉伸的特性的可靠電源供應器件，在可穿戴和柔性電子產品的可集成和可拉伸電源應用方面具有重要前景。當前的準固態離子熱電池通常將環境友好型高分子聚合物制成基體，集成的氧化還原電對在高溫端和低溫端分別進行氧化還原反應得失電子產生熵差異從而產生電壓差，實現熱源連續轉換為電能。但是，熱電池的基體在低于0 ℃時會不可避免地凍結并失去熵彈性，阻礙了氧化還原電對的熱遷移，進而嚴重的影響熱電轉換效率，導致其僅在室溫附近才能實現相對較高的熱電轉換效率，嚴重限制了熱電池在高原、極地和太空探索等極端環境中的應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種在極端環境下兼具柔性化和持續電力輸出抗低溫柔性熱電材料、熱電池及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種抗低溫柔性熱電材料，其特征在于：由柔性可拉伸基體與氧化還原電對交聯后引入多元醇得到；其中，所述柔性可拉伸基體由聚電解質單體和水溶性單體共聚獲得。

本發明熱電材料，基于柔性聚合物鏈進行化學交聯制備得到，具有本征可拉伸特性；通過破壞水分子之間的氫鍵，限制溶劑分子的結晶，從而提高低溫下聚合物網絡的熵彈性，提升低溫下氧化還原電對的熱遷移；添加聚電解質單體促進離子締合以增大氧化還原電對的熵差異，提高熱轉換效率。

所述氧化還原電對與多元醇及水形成混合物，所述柔性可拉伸基體浸泡在混合物中進行溶劑交換得到所述柔性熱電材料。

氧化還原電對的摩爾比為1:1~1:2，濃度為0.02 M~ 0.9 M；多元醇與水的體積比為1:1~2:1。

由聚電解質單體和水溶性單體共聚獲得所述柔性可拉伸基體的方法為：

將聚電解質單體、水溶性單體、交聯劑和引發劑按比例溶解在去離子水中，獲得前驅體溶液；

將獲得的前驅體溶液倒入模具中脫氣密封，聚合獲得柔性可拉伸基體。