本文要点

柔性凝胶热电池（GTC）提供了一种安全、简便、可扩展的直接热能到电能转换方法。鉴于其连续的工作模式和对动态人机界面的适应性，GTC在自供电可穿戴电子领域中显示出巨大的应用潜力，特别是在快速扩展的全球物联网市场的背景下。然而，为了使GTC在实际应用中切实可行，它们应该同时表现出(1)高热功率（S_i）和离子电导率，以实现高输出功率密度；(2)抗冻和抗干燥性，以适应各种操作环境，以及(3)优异的机械韧性，以支持柔性可穿戴设备长期服役。通常情况下，高S_i是通过诱导氧化还原离子热敏结晶以形成高的浓度梯度来实现的，机械强度是通过增加聚合物链的交联密度或引入额外的交联位点来提高的。然而，这些方法往往阻碍了活性离子的输运而损害有效离子电导率，从而限制高功率密度。此外，传统的凝胶电解质对各种操作环境的适应性较差，在干燥和冰冻温度等极端条件下面临挑战。

图1 TGTC的设计原则及工作机制

为了解决这些限制，我们通过将铁氰化钾/亚铁氰化钾（Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻）氧化还原电对、热敏结晶剂盐酸胍（GdmCl）和支持电解质氯化锂（LiCl）复合电解质集成于天然纳米纤维素水凝胶（NC）基体中，开发出一种抗冻、抗干燥、机械性好、热电性能优异的三元凝胶热电池（TGTC），实现TGTC的热电性能、抗冻性和机械性能的同步提升。实验和模拟计算结果，揭示了其抗干燥、抗冻结及机械性能的协同增强机制。其中，NC水凝胶富含羟基，对电解质的负载率高达96%，并且具备较高的机械强度；GdmCl诱导选择性Fe(CN)₆⁴⁻形成热敏结晶，增强氧化还原对的浓度差，提高S_i，并显著增加纤维间摩擦力，而LiCl通过电迁移迅速平衡电荷，促进活性离子迁移，从而显著提升输出功率密度，并重构氢键网络，有效捕获水分子，协同提高了TGTC的抗干燥、抗冻结性能及机械强度。因此该TGTC表现出优异的综合性能，S_i高达3.42 mV K⁻¹，最大功率密度为2.8 mW m⁻² K⁻²，在−20 °C下可稳定循环多次，同时机械性能优异，拉伸强度达3.06 MPa，在变形过程中仍能维持稳定的电压输出和可恢复的电流响应。为了验证其实用性，我们组装了输出电压达2.08 V、最大功率30.1 mW（ΔT = 30 K）的集成式热电池样机，无需电压放大器即可成功驱动LED阵列并为超级电容器充电。此外，该器件在人体热能收集方面表现优异，展现了其在自供能可穿戴电子领域的广阔应用前景。本研究提出了一种通用的高性能GTCs开发策略，在低品位能量收集和自供电可穿戴电子的领域的应用前景十分广阔。

图2 TGTC的热电性能评估

图3 TGTC热功率和离子电导率协同增强机理

图4 TGTC抗干燥防冻性能评估

图5 TGTC的机械性能和柔性评估

图6 热电池样机的组装与应用

相关研究成果以“Development of Ternary Hydrogel Electrolytes for Superior Gel Thermocells: Exceptional Anti-Drying, Anti-Freezing, and Mechanical Robustness”为题发表在Advanced Materials (2025, 10.1002/adma.20242021)期刊上。文章的第一（共一）作者是中国科学技术大学硕士研究生桂吉祥、博士后程燕、博士后任凯和刘泽鹏。中国科学技术大学陈立锋教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金优秀青年科学家（海外）资助项目（GG2090007003）、国家自然科学基金（U2230101）、中央高校基本科研业务费专项资金（WK2490000002）和中国科大启动经费资助。

课题组介绍

课题组负责人：陈立锋，国家“四青人才”、中国科学技术大学教授；合肥微尺度物质科学国家研究中心和中国科学院材料力学行为和设计重点实验室双聘研究员，主要从事纳米材料的结构设计、宏量制备及其能量存储与转换（新型二次电池、超级电容、柔性储能器件、电/光催化）机制研究，在Science、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等国际著名期刊上发表学术论文50余篇，总论文他引9000余次，研究工作被国内外同行高度评价；曾获Nano Research Top Papers Award、JSPS Postdoctoral Fellowship、安徽省品学兼优毕业生等奖项；主持了国家自然科学基金委海外优青、面上、联合基金培育项目以及国家重点研发计划子课题，作为骨干成员参与了中国工程院战略研究与咨询项目、国家自然科学基金委重点项目等；参与编写专著2部，受邀担任国际知名学术期刊Nano Research、Chinese Chemical Letters和International Journal of Extreme Manufacturing青年编委；Acta Physico-Chimica Sinica期刊中“碳材料与电化学储能”专刊客座编辑；Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Coord. Chem. Rev.等国际期刊特邀审稿人；国家自然科学基金项目评审专家；科技部重点研发项目评审专家；国家高层次人才特殊支持计划评审专家；安徽省科技项目评审专家；安徽省正高职称评审专家。

课题组主页：https://faculty.ustc.edu.cn/chenlifeng/zh_CN/index.htm