清华大学航院张兴、马维刚课题组合作在离子热电连续发电研究中取得进展

以电子或空穴为载流子的电子型热电材料经历了近两百年的发展，已经应用于热能回收、太空探测和物联网传感等领域。然而，较低的塞贝克系数（~0.1 mV K-1），限制了电子热电能量效率的进一步提升。近年来，基于索雷特（Soret）效应的离子热电材料取得了令人瞩目的进展，离子塞贝克系数可达电子热电材料的100倍以上，并且在低成本、柔性化、自修复、易加工等方面有显著优势，为微电子器件自供能、高灵敏传感应用和热电效率提升开辟了全新途径。然而，离子不能直接进入外电路，只能聚集在电极处，通过电容器模式间歇性地输出电能，并且需要持续更换冷、热源才能驱动离子连续往复热迁移并发电。上述模式中离子的缓慢积累和频繁热源更换严重降低了离子热电效率和实用性。

清华大学航院张兴教授、马维刚副教授课题组和郑州大学王珂教授、宋东兴研究员（直聘）课题组合作，开发了离子热电传送带运行模式，以热驱动离子拖曳电子形成持续电子电流，克服了电容器模式对离子累积和热源交换的依赖，实现了恒定温差下的连续发电。研究团队设计U形混合传导离子热电材料，材料内部离子通过库仑力吸附电子形成离子-电子摩擦力（ion-electronic friction），该摩擦力使得热扩散离子能够拖曳电子一起运动，像传送带传送货物一样，因此称为传送带模式。将U形引脚浸润入盐溶液中形成闭合离子回路，离子到达冷端后通过溶液返回热电材料的热端，形成持续离子电流；传送至冷端的电子走外部电子回路返回热端，进而对负载供能。实验测量引脚浸润前后电压发生反转，证明了冷端由阳离子积累转变为传送来的电子积累，多模块串联器件测试发现，传送带模式具有优异的稳定性和可扩展性，发电功率和效率比电容器模式有数量级的提升。采用电子能谱表征了电容器模式和传送带模式的离子浓度分布，发现传送带模式浓度梯度更低，表明离子可以循环流动而非持续积累，支持了传送带模式的连续发电机制。

如图1所示，研究团队进一步建立了传送带模式的理论模型，采用第一性原理计算与分子动力学模拟相结合，揭示了阳离子吸附于电子导体表面并与电子“绑定”的微观机制，直观展示了离子迁移过程中电子的伴随移动，导出了离子-电子摩擦系数表达式并得出典型结果，证明在良好掺混状态下，离子-电子摩擦力足以作为媒介将离子电流充分转化为电子电流。L形离子热电膜实验排除了液体浸润的作用，证明了完整离子回路是传送带模式运行的关键。综合实验和理论结果，推导获得了传送带模式的功率因子和热电优值系数表达式，为性能的进一步提升指明了方向。

相关研究成果以“传送带模式实现连续的离子热电转换”（Conveyor mode enabling continuous ionic thermoelectric conversion）为题，于9月8日在线发表于《焦耳》（Joule）。

图1.（a）传送带模式中离子和电子相互作用示意图（b）等效电路图（c）离子吸附在电子导体的电荷转移图（d）L形单侧浸润离子热电膜电压测量图（e）分子动力学模拟原子分布图（f）离子-电子摩擦系数分布图（g）离子径向分布函数图

郑州大学直聘研究员宋东兴（清华大学航院博士毕业生）、清华大学航院2020级博士生赵春雨为论文共同第一作者。清华大学航院马维刚副教授为论文通讯作者。其他合作者包括清华大学航院教授张兴、郑州大学教授王珂和清华大学航院硕士生陈斌。研究得到国家自然科学基金、国家博新计划、博士后基金和清华-丰田联合基金等的资助。

论文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(24)00357-X