[发明专利]一种抗低温柔性热电材料、热电池及其制备方法

说明书

本发明公布了一种抗低温柔性热电材料、热电池及其制备方法，其中抗低温柔性热电材料由柔性可拉伸基体与氧化还原电对交联后引入多元醇得到；其中，所述柔性可拉伸基体由聚电解质单体和水溶性单体共聚获得。所述氧化还原电对与多元醇及水形成混合物，所述柔性可拉伸基体浸泡在混合物中进行溶剂交换得到所述柔性热电材料。本发明制作方便，生产周期短，生产成本较低，易于批量化生产，热电池性能高，机械性能好，抗低温性能优异，这些特点为抗低温柔性热电池在高海拔地区、南北极甚至外太空等极低温环境下的应用提供了广阔的前景。

技术领域

本发明涉及一种热电材料及由热电材料制成的热电池，具体涉及的是一种为解决极端低温环境中低品位热能利用问题而设计的具有抗低温及柔性可拉伸特征，并直接将低品位热能转换为电能的热电材料、热电池及其制备方法。

背景技术

柔性电子技术的飞速发展建立了人与外界系统的直接信息传输，拓展了人类工作生活的交互式应用场景，并引发了现代电子工业的一场革命。电子皮肤、生物信息传感器、软体机器人和折叠屏等典型柔性电子器件已经逐渐被商业应用，改变着人们的日常生活。目前，柔性电子器件的能量供应主要是超级电容器、锂离子电池、太阳能电池和摩擦发电器等。然而，超级电容器和锂离子电池需要周期性的充放电，不能持续的输出电能；太阳能电池依赖于气候条件不断进行光电转换；摩擦发电器需要介电材料不间断的相互运动充电。如何实现长期稳定的连续能源供应仍然是一个巨大的挑战。

从环境中持续地将低品位热能（如人体一直产生的热能）转换为电能的热电材料在柔性电子器件供能方面具有巨大的潜能。常规的无机热电材料通常掺杂有毒的金属元素，展现出机械脆性，而且较低的电导率导致其热电优值较低。有机半导体热电材料虽然柔软可拉伸，但其塞贝克系数通常小于0.1 mV K^-1，热电效率较低。水系离子热电池具有高离子电导率和塞贝克系数的优点，但其在使用中会遇到溶液泄露的风险。有机准固态离子热电池是同时兼具高性能、环境友好及柔性可拉伸的特性的可靠电源供应器件，在可穿戴和柔性电子产品的可集成和可拉伸电源应用方面具有重要前景。当前的准固态离子热电池通常将环境友好型高分子聚合物制成基体，集成的氧化还原电对在高温端和低温端分别进行氧化还原反应得失电子产生熵差异从而产生电压差，实现热源连续转换为电能。但是，热电池的基体在低于0 ℃时会不可避免地冻结并失去熵弹性，阻碍了氧化还原电对的热迁移，进而严重的影响热电转换效率，导致其仅在室温附近才能实现相对较高的热电转换效率，严重限制了热电池在高原、极地和太空探索等极端环境中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在极端环境下兼具柔性化和持续电力输出抗低温柔性热电材料、热电池及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种抗低温柔性热电材料，其特征在于：由柔性可拉伸基体与氧化还原电对交联后引入多元醇得到；其中，所述柔性可拉伸基体由聚电解质单体和水溶性单体共聚获得。

本发明热电材料，基于柔性聚合物链进行化学交联制备得到，具有本征可拉伸特性；通过破坏水分子之间的氢键，限制溶剂分子的结晶，从而提高低温下聚合物网络的熵弹性，提升低温下氧化还原电对的热迁移；添加聚电解质单体促进离子缔合以增大氧化还原电对的熵差异，提高热转换效率。

所述氧化还原电对与多元醇及水形成混合物，所述柔性可拉伸基体浸泡在混合物中进行溶剂交换得到所述柔性热电材料。

氧化还原电对的摩尔比为1:1~1:2，浓度为0.02 M~ 0.9 M；多元醇与水的体积比为1:1~2:1。

由聚电解质单体和水溶性单体共聚获得所述柔性可拉伸基体的方法为：

将聚电解质单体、水溶性单体、交联剂和引发剂按比例溶解在去离子水中，获得前驱体溶液；

将获得的前驱体溶液倒入模具中脱气密封，聚合获得柔性可拉伸基体。