在当前全球能源紧缺和实现“双碳”目标的背景下，如何高效利用能源成为了一个亟待解决的问题。据统计，全球约60%的能源以废热形式流失，这不仅是资源的浪费，也对环境造成了负担。探索高效且可持续的废热利用技术已成为全球实现节能减排和碳中和的重要研究领域。新兴的离子热化学电池（Thermocells, TGCs），可以持续将热能转化为电能，因其巨大的热电势（>1 mV K-1）、安全稳定、低成本以及可规模化等优势，已广泛用于低品位废热（如人体热能）的收集转换，并为可穿戴电子设备供电。然而，传统的液态TGCs在实际使用时需要封装，存在电解质泄露的风险。准固态TGCs利用具有本征柔性和可拉伸性的水凝胶材料为基体，可将液态电解质限域在其三维凝胶网络中，可以克服电解质泄露的问题。然而，当前准固态TGCs的热电转化效率均较低，且机械性能相对较弱，无法满足商业化应用的需求；此外，由于对材料设计的不同要求，准固态TGCs无法同步满足热电性能和机械强度之间的权衡。因此，同时实现高热电性能和优异机械强度仍然是该领域的一个重大挑战。为了解决上述问题，香港理工大学王钻开教授团队联合浙江大学张超研究员，创造性地设计了一种超强且柔性的热电盔甲（FTGA），实现了超8%的相对卡诺效率,首次突破商业化应用的效率阈值（5%）。在该工作中，通过巧妙的结构设计和分子工程的协同作用，作者在定制的离子高速传输通道（限域空间）内实现热敏结晶和盐析效应，同步提升器件的热电性能和机械强度。FTGA具有高达5.58 mV K-1的热功率，11.90 mW m-2 K-2的比输出功率密度，以及高达8.53%的相对卡诺效率；此外，FTGA还具备高拉伸性（~900%），高断裂强度（11 MPa）和韧性（70.65 MJ m-3）。同时，FTGA可直接收集人体热能，并将其转化为电能为可穿戴电子设备供电。该工作以“Ultrastrong, flexible thermogalvanic armor with a Carnot-relative efficiency over 8%”为题发表在最新一期《Nature Communications》上（Nat. Commun.15, 6704 (2024)）。 该项研究工作中器件热电性能和机械强度大幅度的提高主要依赖于分子工程和结构设计的协同作用（图1）。首先是分子工程，作者选用生物相容性好的PVA作为FTGA的骨架，[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-作为氧化还原电对。通过巧妙的引入硫酸胍（(Gdm)2SO4），可同步提升器件的热电势和机械强度。其中，Gdm+作为一种典型的离液阳离子，可破坏[Fe(CN)6]4-的水合层并诱导其结晶，进一步增大[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-的溶剂化熵差（~1.7倍），从而增强器件的热电势；此外，SO42-具有出色的盐析能力，可以通过Hofmeister效应促进聚合物链的结晶，进一步增强器件的机械性能（如韧性增大2.7倍，断裂强度增强1.8倍等）。其次，作者结合定向冷冻工艺为FTGA创造了蜂窝状的定向通道，该通道不仅可以作为限域空间储存电解质以及大量的活性离子，也可以充当“快速公路”，用于加速离子传输和结晶粒子沉淀，从而进一步提高器件的热功率（~1.4倍）和电导率（~1.3倍）。
通过上述分子工程和结构设计的协同作用，FTGA表现出优异的热电性能（图2），包括高达5.58 mV K-1的热功率，以及12.98 S m-1的电导率，这些性能均优于目前已报道的准固态热电池。此外，即使在不同的温差条件下，FTGA依旧具有高的电学输出，并实现高达11.90 mW m-2 K-2的比输出功率密度，以及8.53%的相对卡诺效率。
除了优异的热电性能外，作者对器件的机械性能进行了分析和表征（图3）。在静态测试条件下，FTGA表现出优异的拉伸和压缩性能，其拉伸伸长率可达900%，断裂强度为11 MPa，韧性高达70.65 MJ m-3。此外，作者还利用霍普金森测试系统表征了FTGA在复杂动态环境下的力学性能，其同样表现出优异的抗冲击性能。这进一步体现了分子工程和结构设计耦合的重要性。除了上述优异的力学性能外，FTGA还表现出优异的稳定性，在经历高达100次的循环拉伸载荷，甚至经历极端压缩冲击（汽车碾压）后，FTGA的力学强度和热功率仍然维持在较高水平。
图3. FTGA的机械性能和稳定性分析
基于FTGA优异的机械性能和电学输出，其既可直接充当柔性盔甲用于个人力学冲击防护，也可作为柔性热电发电机，用于收集转化人体热能。为了验证FTGA的潜在应用，作者制备了一个大规模的FTGA阵列，该阵列可直接贴在人体皮肤上，用于收集人体热能，并且将其转化为电能为可穿戴电子设备（智能手表等）供电（图4）。
图4. FTGA的潜在应用和综合性能对比
王钻开教授课题组通过分子工程和结构设计的协同效应，报道了一种新型的超强柔性热电盔甲，巧妙地解决了传统准固态热电池中热电性能和机械性能之间的权衡问题，并实现了超8%的相对卡诺效率，首次突破了商业化应用的效率阈值。该器件可直接收集低品位废热能，并将其高效转化为高品位电能。本工作中的协同效应也可用于提高其他柔性热能收集系统的能量转化效率和机械性能，为未来的能源利用和可穿戴设备发展提供了新的思路。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51002-8
