[发明专利]一种可拉伸离子热电器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可拉伸离子热电器件及其制备方法，包括封装材料，电极材料，p型和n型氧化还原离子对，凝胶基质；其中，氧化还原离子对分散在凝胶基质中，溶液为水、乙醇、二甲基亚砜、离子液体或它们的混合物，凝胶基质与电极材料、封装材料接触，凝胶基质、电极材料在封装材料内部。本发明将含有氧化还原电对的电解质结合准固态凝胶材料液体含量高，机械性能好且不易泄漏的特点，提升了离子热电池的可加工性，拓展了其应用场景。尤其是凝胶可以轻松实现柔软可拉伸的特点，可以弥补目前传统无机热电材料和有机热电材料的不足。

技术领域

本发明涉及离子热电器件技术领域，具体涉及一种可拉伸离子热电器件及其制备方法。

背景技术

随着社会发展，能源需求的的不断增长和传统化石能源的储备日益减少，寻求新型能源利用方式迫在眉睫。热电材料可以借助带电粒子在温差下的扩散实现热能向电能的转化，可以有效解决低品位热难回收的问题。但是传统的无机热电材料如碲化铋等成本较高，刚性较大，且具有毒性；基于导电聚合物的有机热电材料，本征热电势较低(～μV/K)，需要进行大量器件单元的集成。而基于氧化还原离子对的离子热电具有低毒，低成本和高塞贝克系数(～mV/K)的优势。同时含有氧化还原离子对的溶液可以包含在聚合物基质中，实现可拉伸的柔性热电材料。

在人体穿戴自供电设备领域，相对传统无机热电和有机热电材料，离子热电材料不仅成本低，无毒环保，而且其本征柔性可拉伸的特点可以适应人体的弯曲表面以及运动时关节处的拉伸。相对于锂电池和超级电容器等储能装置，利用人体体温和环境之间的温差可以实现持续的电学输出，免除了反复更换电源的问题。但是目前还没有适用于可拉伸离子热电材料的器件结构，传统热电器件的结构不能实现器件的全拉伸。可拉伸离子热电材料的实际应用还需要填补这一块空白领域。

在电解质中存在(O为氧化态，R为还原态)的氧化还原离子对，电解质处于温差中时，冷端倾向于发生还原反应，热端倾向于发生氧化反应，冷热两端电极界面产生电势差，即热电势。用导线连接冷热两端的电极，电子从冷端由导线流向热端，产生热电流。与此同时，氧化还原反应的产物在浓度梯度的驱使下向另一侧扩散迁移，补充了另一侧氧化还原反应消耗的离子，使得上述的氧化还原反应可以持续进行，对外做功。可以将此类离子热电效应看做一种热电池。在这样的热电池中，类似Fe(CN)₆^4-/Fe(CN)₆^3-的离子对，热端电势高于冷端电势，即热电势大于0，称之为p型；类似Fe²⁺/Fe³⁺的离子对，热端电势低于冷端电势，即热电势小于0，称之为n型。P型和n型热电池通过电极进行Π型串联，可以在相同温差下得到更高的热电势(其机理如图1所示)。已有报道的热电池多数在溶液体系中，器件封装使得制作成本提升，同时容易发生泄漏。

发明内容

本发明的目的之一是针对上述问题，提供一种可拉伸离子热电器件，其制备方法简单，材料易得，且器件具有良好的柔性和可拉伸性，能够适应人体日常穿戴场景，可利用人体与环境温差发电，对于发展可穿戴热电设备具有重要意义。

本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：

一种可拉伸离子热电器件，包括封装材料，电极材料，p型和n型氧化还原离子对，凝胶基质；

其中，氧化还原离子对分散在凝胶基质中，溶液为水、乙醇、二甲基亚砜、离子液体或它们的混合物，凝胶基质与电极材料、封装材料接触，凝胶基质、电极材料在封装材料内部。

所述凝胶基质通过电极进行Π型串联，电极和凝胶基质接触面积小于凝胶基质上表面或下表面的面积。

所述封装材料为丙烯酸压敏胶、聚丙烯酸酯类粘弹体或铂催化硅橡胶。

所述电极材料为石墨、石墨纸、碳纸、碳布、金箔、铜箔或铝箔。