在當前全球能源緊缺和實現“雙碳”目標的背景下，如何高效利用能源成為了一個亟待解決的問題。據統計，全球約60%的能源以廢熱形式流失，這不僅是資源的浪費，也對環境造成了負擔。探索高效且可持續的廢熱利用技術已成為全球實現節能減排和碳中和的重要研究領域。新興的離子熱化學電池（Thermocells, TGCs），可以持續將熱能轉化為電能，因其巨大的熱電勢（>1 mV K-1）、安全穩定、低成本以及可規模化等優勢，已廣泛用于低品位廢熱（如人體熱能）的收集轉換，并為可穿戴電子設備供電。然而，傳統的液態TGCs在實際使用時需要封裝，存在電解質泄露的風險。準固態TGCs利用具有本征柔性和可拉伸性的水凝膠材料為基體，可將液態電解質限域在其三維凝膠網絡中，可以克服電解質泄露的問題。然而，當前準固態TGCs的熱電轉化效率均較低，且機械性能相對較弱，無法滿足商業化應用的需求；此外，由于對材料設計的不同要求，準固態TGCs無法同步滿足熱電性能和機械強度之間的權衡。因此，同時實現高熱電性能和優異機械強度仍然是該領域的一個重大挑戰。為了解決上述問題，香港理工大學王鉆開教授團隊聯合浙江大學張超研究員，創造性地設計了一種超強且柔性的熱電盔甲（FTGA），實現了超8%的相對卡諾效率,首次突破商業化應用的效率閾值（5%）。在該工作中，通過巧妙的結構設計和分子工程的協同作用，作者在定制的離子高速傳輸通道（限域空間）內實現熱敏結晶和鹽析效應，同步提升器件的熱電性能和機械強度。FTGA具有高達5.58 mV K-1的熱功率，11.90 mW m-2 K-2的比輸出功率密度，以及高達8.53%的相對卡諾效率；此外，FTGA還具備高拉伸性（~900%），高斷裂強度（11 MPa）和韌性（70.65 MJ m-3）。同時，FTGA可直接收集人體熱能，并將其轉化為電能為可穿戴電子設備供電。該工作以“Ultrastrong, flexible thermogalvanic armor with a Carnot-relative efficiency over 8%”為題發表在最新一期《Nature Communications》上（Nat. Commun.15, 6704 (2024)）。 該項研究工作中器件熱電性能和機械強度大幅度的提高主要依賴于分子工程和結構設計的協同作用（圖1）。首先是分子工程，作者選用生物相容性好的PVA作為FTGA的骨架，[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-作為氧化還原電對。通過巧妙的引入硫酸胍（(Gdm)2SO4），可同步提升器件的熱電勢和機械強度。其中，Gdm+作為一種典型的離液陽離子，可破壞[Fe(CN)6]4-的水合層并誘導其結晶，進一步增大[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-的溶劑化熵差（~1.7倍），從而增強器件的熱電勢；此外，SO42-具有出色的鹽析能力，可以通過Hofmeister效應促進聚合物鏈的結晶，進一步增強器件的機械性能（如韌性增大2.7倍，斷裂強度增強1.8倍等）。其次，作者結合定向冷凍工藝為FTGA創造了蜂窩狀的定向通道，該通道不僅可以作為限域空間儲存電解質以及大量的活性離子，也可以充當“快速公路”，用于加速離子傳輸和結晶粒子沉淀，從而進一步提高器件的熱功率（~1.4倍）和電導率（~1.3倍）。
通過上述分子工程和結構設計的協同作用，FTGA表現出優異的熱電性能（圖2），包括高達5.58 mV K-1的熱功率，以及12.98 S m-1的電導率，這些性能均優于目前已報道的準固態熱電池。此外，即使在不同的溫差條件下，FTGA依舊具有高的電學輸出，并實現高達11.90 mW m-2 K-2的比輸出功率密度，以及8.53%的相對卡諾效率。
除了優異的熱電性能外，作者對器件的機械性能進行了分析和表征（圖3）。在靜態測試條件下，FTGA表現出優異的拉伸和壓縮性能，其拉伸伸長率可達900%，斷裂強度為11 MPa，韌性高達70.65 MJ m-3。此外，作者還利用霍普金森測試系統表征了FTGA在復雜動態環境下的力學性能，其同樣表現出優異的抗沖擊性能。這進一步體現了分子工程和結構設計耦合的重要性。除了上述優異的力學性能外，FTGA還表現出優異的穩定性，在經歷高達100次的循環拉伸載荷，甚至經歷極端壓縮沖擊（汽車碾壓）后，FTGA的力學強度和熱功率仍然維持在較高水平。
圖3. FTGA的機械性能和穩定性分析
基于FTGA優異的機械性能和電學輸出，其既可直接充當柔性盔甲用于個人力學沖擊防護，也可作為柔性熱電發電機，用于收集轉化人體熱能。為了驗證FTGA的潛在應用，作者制備了一個大規模的FTGA陣列，該陣列可直接貼在人體皮膚上，用于收集人體熱能，并且將其轉化為電能為可穿戴電子設備（智能手表等）供電（圖4）。
圖4. FTGA的潛在應用和綜合性能對比
王鉆開教授課題組通過分子工程和結構設計的協同效應，報道了一種新型的超強柔性熱電盔甲，巧妙地解決了傳統準固態熱電池中熱電性能和機械性能之間的權衡問題，并實現了超8%的相對卡諾效率，首次突破了商業化應用的效率閾值。該器件可直接收集低品位廢熱能，并將其高效轉化為高品位電能。本工作中的協同效應也可用于提高其他柔性熱能收集系統的能量轉化效率和機械性能，為未來的能源利用和可穿戴設備發展提供了新的思路。原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51002-8
