將環境中的熱量收集為電能並為物聯網（IoT）傳感器供電，將有希望使它們擺脫電纜或電池的束縛，從而適用於可穿戴設備。近日，南方科技大學劉瑋書副教授和麻省理工學院陳剛教授（共同通訊作者）研發出了以離子為能量載體的新型室溫熱電材料，通過離子的擴散熵與氧化還原電對反應熵的協同效應，從而在準固態離子凝膠中實現了高達17mV/K的巨熱電勢效應，比典型的電子熱電材料高了近兩個數量級。這種由明膠驅動的概念驗證可穿戴設備由25個單極元件組成，可以實現2伏以上的電壓和5μW的峰值功率。這種離子明膠顯示了利用離子作為能量載體的環境熱電能量轉換的前景。相關論文以題為「Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature」於發表在6月5日出版的Science上。
論文連結
https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1091
在不使用電纜或電池的情況下，為物聯網（IoT）傳感器供電的需求引發了對從環境中收集能量的深入研究。一種方法是熱電能量轉換技術，它是基於塞貝克效應，並使用廣泛可得的廢熱，以滿足的IoT傳感器的電力需求。常規的電子熱電（e-TE）材料通常是使用電子或空穴作為載流子的窄帶隙半導體。對於典型的熱電材料，熱功率（或塞貝克係數）為100至200μVK-1。因此，要在室溫環境中產生1至5 V的有用電壓，就需要對成千上萬甚至數萬個約50μm的微型熱電元件進行具有挑戰性的集成，或者通過DC-DC升壓器將具有毫米的常規尺寸設備的電壓增加多達100倍。
研究人員對準固態離子型熱電轉換器件提出了一種新的準連續熱充電/放電工作模式，可以使器件循環運行100圈，實現5小時的工作時長。準固體離子凝膠可以通過結合離子的擴散熵和氧化還原對的反應熵（化學還原-氧化反應）來實現巨大的熱電勢效應，其在準固態離子熱電材料中獲得了17.0 mV K-1的熱功率，比典型的電子熱電材料高了近兩個數量級。
圖1.i-TE材料的巨大熱電性質
圖2.協同效應的工作機制
圖3.i-TE單元的工作模式
圖4.可穿戴i-TE設備的概念證明
總而言之，作者已經證明了以離子為基礎的明膠的i-TE材料巨熱電效應，其協同地結合了氧化還原對的熱電流效應和離子提供者的熱擴散效應。通過對KCl(x=0.8M)和FeCN4-/3-(m/n=0.42/0.25M)的濃度和水比的綜合優化，獲得了12.7~17.0mVK-1的巨熱電勢效應。具有25個p型元件的概念驗證型柔性i-TE可穿戴設備顯示高達2.2 V的高壓，是以前報告的i-TE設備的電壓的兩到三倍。製成的i-TE電池可以長時間連續使用，最大能量密度為12.8 J m-2。這項工作為實現物聯網傳感器的無電纜和無電池能源供應提供了一種有前途的方法，證明了在熱電能量轉換中使用離子作為能量載體的希望。（文：Caspar）
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