Nano-Micro Letters研究背景
长期以来，人们一直希望利用低品位热量发电。热电材料可以在无运动部件的情况下完成热电转换，不污染环境。为了使用更少的热电单元来产生相当大的电压，需要热电材料具备更大的塞贝克系数(也称为热功率)。以离子为载体的离子热电(i-TE)材料的塞贝克系数约为毫伏/开尔文。它们易于制造，并有潜力构建灵活和可穿戴的热电器件。然而，由于离子不能进入外部电路，最先进的i-TE材料通过电极上的离子产生的感应电荷将离子电流转换为电子电流。这种热电转换也被称为离子热电电容器，通常这种转换方式具有低功率密度和能量密度，且其热-电转换过程需要不断切换热源和外电路，工作过程不连续。因此，寻求一种新的能够利用i-TE固有热电特性的运行机制是非常重要的。
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01077-7
本文亮点
内容简介
基于以上问题和挑战，重庆大学孙宽教授领衔的La FREMD研究团队从离子-电子热电协同的角度，通过理论和实验结合来应对这个问题。利用天然柚子皮通过直接石墨化工艺获得了一种兼具离子和电子导电能力的离子-电子导体。以1-丁基-3-甲基咪唑氯(BMIM:Cl)离子液体为离子载体，制备了固态离子电子复合热电材料。在∆T为20 K时实现高达32.7 mV K⁻¹的热功率。因此，单个热电单元的热电压超过650 mV，这是迄今为止所有热电材料中单个热电电池达到的最高值。由于离子-电子热电协同(IETS)效应， i-TE材料的最大功率输出高达0.41 W m⁻²，比当前报道的最好的i-TE材料高4.3倍。1小时放电的能量密度高达553.9 J m⁻²，是目前报道的最高值的6.9倍。
图文导读
I 离子-电子导体工作原理示意图
从理论上，结合Soret效应与漂移电流效应，推演了离子-电子导体材料中的热电性能的载流子迁移过程，命名为离子-电子热电协同效应(IETS effect)。通过对离子-电子协同效应下塞贝克系数的推导，指出了离子-电子热电协同效应下的材料设计方向。
图1. （a）没有施加温度梯度的离子-电子导体示意图，离子和电子均匀分布，没有电位差。这里的电子指的是E&I导体中的载流子。(b)离子-电子热电协同条件下的工作原理示意图。
II 热电压与放电电流性能表征
电子热电材料、离子热电材料和离子-电子热电复合材料的热电压与放电电流的表现。
图2. (a)CPP900的热电势。(b)纯离子热电材料和离子-电子热电协同材料的热电势。(c)单个热电单元获得的热电势与文献中的对比。(d)纯离子热电材料的开路电压和放电电流(e)离子-电子热电协同材料的开路电压和放电电流(f)电子热电材料、离子热电材料和离子-电子热电协同材料的放电电流。
III 离子-电子导体的微纳结构的表征
离子-电子导体的微纳结构。
图3. 离子-电子导体的微纳结构。
IV 热电性能测试
离子-电子热电协同材料的功率密度和能量密度及其与文献中的对比。离子-电子热电协同材料能够为电容器充电、实现一些小型电子器件的日常供电，最重要的是离子-电子热电协同材料连续工作时间能够超过3000分钟，相比于一般的离子型热电材料具有较大的进步。
图4. 离子-电子热电协同材料的功率密度(a、b)、能量密度(a、c、d)及器件输出表现(e、f、g、i)，并且能够长期运行(h、i)。
V 总结
该研究的重大意义在于提出了IETS效应，并且结合理论推导指出了IETS效应下的材料设计原则，IETS效应使得离子热电材料的功率输出得到了进一步提高，改变了i-TE的工作模式，实现了长时间连续工作。该工作得到了新加坡国立大学欧阳建勇教授、程汉霖博士，南方科技大学刘玮书教授和中国科学院半导体研究所熊壮博士的大力支持。
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