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  近年來(lái)，新興的離子軟材料相比于傳統(tǒng)電子導(dǎo)體，由于其本征可拉伸的力學(xué)特性、類(lèi)生物組織的離子傳導(dǎo)、可調(diào)的光學(xué)性質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注，推動(dòng)了離子型類(lèi)皮膚傳感器的發(fā)展，也在物聯(lián)網(wǎng)、軟機(jī)器人、數(shù)字化健康醫(yī)療等重大新興領(lǐng)域發(fā)揮了一定影響。此前，武培怡教授課題組雷周玥博士的一系列研究，系統(tǒng)報(bào)道了如何通過(guò)分子間相互作用調(diào)節(jié)軟離子導(dǎo)體材料的廣譜力學(xué)（Adv. Mater., 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018, 9, 1134，以及環(huán)境響應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)（ACS Nano, 2018, 12, 12, 12860-12868），結(jié)合3D打印等先進(jìn)加工技術(shù)，設(shè)計(jì)軟離子導(dǎo)體材料的纖維結(jié)構(gòu)，以提高仿生離子皮膚的感知靈敏度 (Mater. Horiz., 2017, 4, 694-700)；通過(guò)多模式信號(hào)的分辨，拓展了仿生離子皮膚的多重信號(hào)感知，能夠?qū)Νh(huán)境應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度乃至不明液體的同步識(shí)別與感知 (Nat. Commun. 2019, 10, 3429; Mater. Horiz., 2019, 6, 538-545)；通過(guò)綠色食品材料的組裝，實(shí)現(xiàn)了天然離子軟材料的可回收和可重構(gòu)（Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 1908018）；通過(guò)與真實(shí)皮膚界面的有效粘結(jié)和滲透壓效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)體外診療功能 （Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020）。

  然而，目前關(guān)于離子軟材料的研究工作，主要集中于傳感應(yīng)用，對(duì)于未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)的整合，還需進(jìn)一步考慮能量供應(yīng)問(wèn)題。盡管現(xiàn)在可以利用太陽(yáng)能電池、鋰電池、超級(jí)電容器、以及摩擦電等方式進(jìn)行供電，但是其中存在著離子電路與電子電路的轉(zhuǎn)化問(wèn)題以及需要周期性充電的缺點(diǎn)。另一方面，自然界中廣泛存在的溫度差和熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制，則為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)持續(xù)供能的重要途徑。但是，傳統(tǒng)的熱電材料主要集中于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體等脆性剛性材料，難以匹配需要拉伸變形的動(dòng)態(tài)人機(jī)交互界面，而一些有機(jī)固態(tài)離子熱電材料則主要受限于功率密度低和力學(xué)脆弱的缺點(diǎn)。

研究亮點(diǎn)

  針對(duì)目前挑戰(zhàn)，雷周玥博士和高崴博士設(shè)計(jì)了力學(xué)穩(wěn)固的聚合物雙網(wǎng)絡(luò)，引入可逆氧化還原離子電對(duì)，開(kāi)發(fā)了一種高功率密度和高強(qiáng)韌力學(xué)的離子熱電池。突破性提升了傳統(tǒng)有機(jī)固態(tài)離子熱電材料的力學(xué)性能，具有可媲美軟骨組織的高韌性（2770?J?m^?2），可以適應(yīng)人體拉伸運(yùn)動(dòng)的斷裂伸長(zhǎng)率（217%），缺口不敏感性，同時(shí)達(dá)到了目前固態(tài)離子熱電池的高功率密度（0.61 mW m^-2 K^-2）。這一工作拓展了可仿生生物組織的離子軟材料的功能和應(yīng)用前景，為離子熱電池的設(shè)計(jì)提供了新思路，也為離子電子學(xué)的發(fā)展提供了啟發(fā)。相關(guān)工作近期在線發(fā)表在Joule。

  這項(xiàng)工作提出的主要設(shè)計(jì)原則包括，(1) 第一重溶脹的網(wǎng)絡(luò)以增加剛度，而第二重網(wǎng)絡(luò)提供了可拉伸性；(2) 不同網(wǎng)絡(luò)之間存在協(xié)同作用以增強(qiáng)韌性；(3) 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能夠負(fù)載高濃度的電解質(zhì)；(4) 為了增大熱電勢(shì)（thermopower），優(yōu)選能夠與載流子離子有相互作用的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)。因此，他們?cè)O(shè)計(jì)了經(jīng)典的聚合物雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸單體與離子電對(duì)[Fe(CN)₆^4–/Fe(CN)₆^3–]具有不同的分子間相互作用，可以放大離子電對(duì)的熵差異，從而提高熱電勢(shì)。整體聚合物網(wǎng)絡(luò)具有耐高鹽濃度的特性，能夠提供有效的拉伸性、高力學(xué)強(qiáng)度、和高韌性。

圖1. 雙網(wǎng)絡(luò)離子熱電池的設(shè)計(jì)機(jī)理和實(shí)物照片。

  通過(guò)調(diào)節(jié)離子電對(duì)的濃度，優(yōu)化其在聚合物網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率，他們獲得了高的熱電勢(shì)、高有效離子電導(dǎo)率、和高的輸出功率。在40 K溫差下，最大輸出功率密度可達(dá)0.61 mW m^-2 K^-2。

圖2. 離子熱電池的熱電性能評(píng)估。

  不同于此前類(lèi)似果凍易碎的有機(jī)離子熱電材料，這一雙網(wǎng)絡(luò)離子熱電池具有強(qiáng)韌的力學(xué)性能，可以媲美軟骨的韌性。一片3mm厚度、5 mm寬度的材料可以直接提起一袋1.5 公斤的橘子。

圖3. 離子熱電池的力學(xué)性能和綜合性能評(píng)估。

  離子熱電池可以對(duì)外電路持續(xù)供電，即使在被用刀片切割、被拉伸、被彎曲的過(guò)程中，也能持續(xù)穩(wěn)定輸出電壓和電流。

圖4. 離子熱電池的在變形過(guò)程中輸出的電壓、電流和功率評(píng)估。

圖5. 離子熱電池持續(xù)供電的示意效果。

  這項(xiàng)工作開(kāi)發(fā)了媲美生物組織強(qiáng)韌力學(xué)的離子熱電池，實(shí)現(xiàn)了高功率密度的持續(xù)供電功能，特別是拓展了離子軟材料的應(yīng)用前景。這是第一代可拉伸且堅(jiān)韌的固態(tài)離子熱電池。這項(xiàng)工作打破了離子熱電池的力學(xué)限制并優(yōu)化了熱電性能，可以啟發(fā)許多電池功能裝置的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，也將有利于物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代持續(xù)自供電可穿戴電子設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。

  該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (51733003) 的資助與支持。文章共同第一作者為雷周玥博士和高崴博士，通訊作者為武培怡教授。

  論文鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00291-9

  感興趣的同行在8月27日前可點(diǎn)擊下面鏈接免費(fèi)下載PDF：https://authors.elsevier.com/a/1dNDa925JEG7cd