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图 离子热电的可逆双性塞贝克系数及其连续发电应用展示
在国家自然科学基金项目（批准号：52106095、52176078）等资助下，清华大学马维刚副教授、赤骋博士和张兴教授与香港科技大学黄宝陵教授等合作实现了离子热电循环连续发电，开发出具有可逆双性塞贝克系数的全固态离子热电材料和可循环发电的离子热电器件。该成果以“基于可逆双性塞贝克系数离子热电材料的循环式热电发电器件（Reversible bipolar thermopower of ionic thermoelectric polymer composite for cyclic energy generation）”为题，于2023年1月19日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36018-w。
该研究团队发现固态离子热电复合材料，采用金属（铜、金和铂）作为测试电极时展示出P型（+20 mV/K），采用碳纳米管电极（单壁、多壁和阵列碳管）时表现为N型（-10.2 mV/K），并通过切换电极实现可逆调控。基于此，研究团队设计了一种新型可循环连续发电的离子热电发电器件。该发电器件始终与热源接触且维持恒定温差，仅通过切换碳管电极和铜电极，使热电器件交替呈现P型和N型，从而实现阴/阳离子交替主导热扩散过程，在恒定温差下连续产生电量，并具有高稳定性和循环特性。相比于传统离子热电需要不断开启/关闭热源的发电模式，仅通过改变接触电极而不改变材料本身实现可逆调控塞贝克系数是离子热电转换循环连续供电的关键一步，与传统通过材料改性调控塞贝克系数具有本质不同，尤其是传统方法无法实现可逆调控。
研究人员揭示了电极调控离子热电材料P/N型的微观机制：分子动力学和第一性原理计算发现该离子热电材料中的阴、阳离子与不同电极接触时，形成不同强度的相互作用力。其中，碳管电极与阳离子间相互作用力比阴离子更强，可将部分阳离子束缚在碳管电极界面附近。同时，由于不同电极与阴、阳离子间的晶格匹配度不同，阴离子在碳管电极的分布类似于晶体式有序排列，降低了阴离子在扩散过程中发生相互碰撞的可能性，有助于其进行热扩散，而阳离子在碳管界面近似无序排布，减缓了阳离子热扩散。研究人员通过实时原位拉曼光谱扫描也证实碳管电极处的阴离子扩散活跃主导了热扩散过程，相反，铜电极附近阴离子扩散缓慢。
该研究提出的新离子热电模式不仅无需改变发电器件与热源之间的热接触，并且可以在稳定热源下循环发电，有望推进离子热电的产业化应用进程。