重庆大学团队将离子电流转为电子电流，让离子热电材料实现连续工作

离子热-电转换，重庆转为作是大学电流电电电资针对低品位热能回收利用的热门研究领域。离子热电资料 ，团队则是将离一种建立在 Soret 效应之上的、以离子为载流子来将热能转为电能的流让离热料实资料 。

离子热电资料产生的现连续工离子电流
，不能像电子/空穴电流那样通过导线输送到电子元件中进行利用。重庆转为作因此，大学电流电电电资目前的团队离子热电资料都是依靠电极界面的极化电流来实现热电转换 。

但是将离，这种工作方式的流让离热料实能量密度和功率密度都较低
，并且工作时需要温差和外电路交替切换，现连续工因此无法实现连续的重庆转为作工作。

针对这一领域内存在的大学电流电电电资问题 ，重庆大学教授团队在 Soret 效应的团队基础上引入漂移电流，直接将离子电流转为可以进入外电路的电子电流 ，让离子热电资料实现了连续工作 。

图 | 孙宽（来源：）

与此同时
，他们还从理论上推演了离子-电子复合热电资料的载流子迁移规律 ，得到了离子-电子复合热电资料的塞贝克系数表达式，最重要的是得到了离子-电子复合热电资料的设计原则。同时，相关资料所能达到的能量密度、功率密度和热电压等各项参数都很高。

课题组把这种具备 Soret 效应、能够结合漂移电场从而将离子电流转为电子电流的方式命名为“离子-电子热电协同效应”。其希望该效应能为离子-电子复合热电资料的设计提供指导 ，并能为离子热电资料的应用化提供新思路。

据介绍，本次工作聚焦于离子热电转换在低品位热能的回收利用 。在地球上，低品位热能的规模和分布都非常广泛。在不久的将来，预计这项成果可以为可穿戴器件例如手表 、健康监测器件 、手机等随身电子元件以及物联网器件提供能量。

除了能源转换之外，还可以将温度 、光照 、力学性能和电信号实现相互转换，从而用于遥感、医疗 、光学传感等领域。

据介绍 ，这项课题起源于该团队在离子热电领域工作的积累，他们发现离子热电资料在工作机制上存在一点儿问题：例如能量密度低、热-电转换过程不连续 、输出功率密度低，这导致离子热电资料虽然有着毫伏每开尔文级别的高塞贝克系数，但却无法在日常生活生产上进行应用 。

于是，课题组试图从根源上来解决上述问题 。而他们思考的是：能否既发挥离子热电资料的高塞贝克系数，又借鉴电子热电资料的高输出功率 ？

因此 ，该团队先是对离子热电资料的基本工作理论进行深挖，然后借鉴他人的成功经验，从理论上推演了离子-电子复合热电资料中的载流子迁移物理模型。

此外，他们还做出如下推测：上述模型产生的能量密度，大于传统的离子热电资料。为验证上述推测，他们又对资料进行二次设计，期间历经离子-电子导体的设计和载流子选取等步骤 ，也经历了数次失败 。

最终历时两年 ，课题组终于完成了离子-电子热电协同效应的理论论证和完善 。

另据悉，这项研究的核心在于提出和推导了离子-电子热电协同效应。在所推导的载流子迁移物理模型形成之后，他们经常反问自己这个模型是否还存在说服力不足的地方
。

为此，他们让全课题组的老师挨个讨论和解释 ，随后对模型做出进一步的修订 。为了寻找一种既能传导离子又能传导电子、还能兼容电解质的资料，该团队下了不少功夫 。

一次偶然的情况下，他们想到当时实验室正在用的生物质资料——碳化柚子皮，实验之后发现正好可以满足他们的使用场景。

在确定离子-电子导体之后 ，该团队的原本思路是将水凝胶注入多孔资料之中。但是，数次实验之后他们又发现水分在温差之下非常容易蒸发，这会导致离子失去溶剂、进而导致资料失效 。

又一次偶然的情况下，的学生想起在做其他实验时发现 BMIM:Cl 这种离子液体非常吸水，并且在低湿度和高温下也能确保水分不丢失。

因此
，他们又将载流子改成 BMIM:Cl 这种离子液体，实验之后确实发现水分蒸发得比较少 。然而，一开头他们观察到的电压仅有几伏到十几毫伏。

就当他们以为实验又要失败时，又发生了一次偶然：在一次热电压的测试中，测试 2 个小时候之后  ，电压突然开头上升
。

进行重复实验之后 ，他们发现这是由于之前的测试时间不够久，因此导致没有观察到电压的巨幅增长 。

后来，他们结合理论推导和实验验证，在论文中对上述现象进行了解释 。完成实验之后，大家不禁感叹偶尔实验的成功恰恰来源于偶然的机遇。

但是 ，认为这更是他们坚持实验探索
 、不断积累经验、并能及时抓住各种实验现象
  ，再加上学生强烈的求知欲望而产生的成果。

最终，相关论文以《离子-电子耦合使离子热电资料具有新的工作模式和高能量密度》（ ）为题发在 Nano-Micro Letters 上，该团队的硕士生何勇杰是第一作者 ，教授担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源 
：Nano-Micro Letters）

作为一名硕士生
，就可以在顶刊发论文
，当然值得点赞。但这并不是本次研究的结束，目前课题组正从实验和理论两个方面进行不断地完善，主要目的是将离子-电子复合热电资料的功率最大化 。另外，仅仅有进一步地保持水分，才能让资料工作时间变得更长，直至可以达到数月之久  。

参照资料
：

1.Ion–Electron Coupling Enables Ionic Thermoelectric Material with New Operation Mode and High Energy Density, Nano-Micro Letters, DOI: 10.1007/s40820-023-01077-7https://www.springer.com/journal/40820

排版：朵克斯