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中國科大陳立鋒教授課題組 Adv. Mater.: 抗干燥、抗凍和機械魯棒性的高性能三元凝膠熱電池
2025-03-07  來源:高分子科技

  柔性凝膠熱電池(GTC)提供了一種安全、簡便、可擴展的直接熱能到電能轉換方法。鑒于其連續的工作模式和對動態人機界面的適應性,GTC在自供電可穿戴電子領域中顯示出巨大的應用潛力,特別是在快速擴展的全球物聯網市場的背景下。然而,為了使GTC在實際應用中切實可行,它們應該同時表現出(1)高熱功率Si)和離子電導率,以實現高輸出功率密度;(2)抗凍和抗干燥性,以適應各種操作環境,以及(3)優異的機械韌性,以支持柔性可穿戴設備長期服役。通常情況下,高Si是通過誘導氧化還原離子熱敏結晶以形成高的濃度梯度來實現的,機械強度是通過增加聚合物鏈的交聯密度或引入額外的交聯位點來提高的。然而,這些方法往往阻礙了活性離子的輸運而損害有效離子電導率,從而限制高功率密度。此外,傳統的凝膠電解質對各種操作環境的適應性較差,在干燥和冰凍溫度等極端條件下面臨挑戰。


1 TGTC的設計原則及工作機制


  為了解決這些限制,他們通過將鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀(Fe(CN)63?/4?)氧化還原電對、熱敏結晶劑鹽酸胍(GdmCl)和支持電解質氯化鋰(LiCl)復合電解質集成于天然納米纖維素水凝膠(NC)基體中,開發出一種抗凍、抗干燥、機械性好、熱電性能優異的三元凝膠熱電池(TGTC),實現TGTC的熱電性能、抗凍性和機械性能的同步提升。實驗和模擬計算結果,揭示了其抗干燥、抗凍結及機械性能的協同增強機制。其中,NC水凝膠富含羥基,對電解質的負載率高達96%,并且具備較高的機械強度;GdmCl誘導選擇性Fe(CN)64?形成熱敏結晶,增強氧化還原對的濃度差,提高Si,并顯著增加纖維間摩擦力,而LiCl通過電遷移迅速平衡電荷,促進活性離子遷移,從而顯著提升輸出功率密度,并重構氫鍵網絡,有效捕獲水分子,協同提高了TGTC的抗干燥、抗凍結性能及機械強度。因此該TGTC表現出優異的綜合性能,Si高達3.42 mV K?1,最大功率密度為2.8 mW m?2 K?2,在?20 °C下可穩定循環多次,同時機械性能優異,拉伸強度達3.06 MPa,在變形過程中仍能維持穩定的電壓輸出和可恢復的電流響應。為了驗證其實用性,他們組裝了輸出電壓達2.08 V、最大功率30.1 mWΔT = 30 K)的熱集成式熱電池樣機,無需電壓放大器即可成功驅動LED陣列并為超級電容器充電。此外,該器件在人體熱能收集方面表現優異,展現了其在自供能可穿戴電子領域的廣闊應用前景。本研究提出了一種通用的高性能GTCs開發策略,在低品位能量收集和自供電可穿戴電子的領域的應用前景十分廣闊。


2 TGTC的熱電性能評估


3 TGTC熱功率和離子電導率協同增強機理


4 TGTC抗干燥防凍性能評估


5 TGTC的機械性能和柔性評估


熱電池樣機的組裝與應用


  相關研究成果以“Development of Ternary Hydrogel Electrolytes for Superior Gel Thermocells: Exceptional Anti-Drying, Anti-Freezing, and Mechanical Robustness”為題發表在Advanced Materials (2025, 10.1002/adma.20242021)期刊上。文章的第一(共一)作者是中國科學技術大學碩士研究生桂吉祥、博士后程燕、博士后任凱和劉澤鵬。中國科學技術大學陳立鋒教授為論文通訊作者。感謝國家自然科學基金優秀青年科學家(海外)資助項目(GG2090007003)、國家自然科學基金(U2230101)、中央高校基本科研業務費專項資金(WK2490000002)和中國科大啟動經費資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.20242021


課題組介紹與招聘


課題組負責人:

  陳立鋒,國家四青人才、中國科學技術大學教授;合肥微尺度物質科學國家研究中心和中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室雙聘研究員,主要從事納米材料的結構設計、宏量制備及其能量存儲與轉換(新型二次電池、超級電容、柔性儲能器件、電/光催化)機制研究,在ScienceAdv. Mater.Angew. Chem. Int. Ed.Energy Environ. Sci.等國際著名期刊上發表學術論文50余篇,總論文他引9000余次,研究工作被國內外同行高度評價;曾獲Nano Research Top Papers AwardJSPS Postdoctoral Fellowship、安徽省品學兼優畢業生等獎項;主持了國家自然科學基金委海外優青、面上、聯合基金培育項目以及國家重點研發計劃子課題,作為骨干成員參與了中國工程院戰略研究與咨詢項目、國家自然科學基金委重點項目等;參與編寫專著2部,受邀擔任國際知名學術期刊Nano ResearchChinese Chemical LettersInternational Journal of Extreme Manufacturing青年編委;Acta Physico-Chimica Sinica期刊中碳材料與電化學儲能專刊客座編輯;Adv. Mater.Energy Environ. Sci.Adv. Energy Mater.Nano EnergyCoord. Chem. Rev.等國際期刊特邀審稿人;國家自然科學基金項目評審專家;科技部重點研發項目評審專家;國家高層次人才特殊支持計劃評審專家;安徽省科技項目評審專家;安徽省正高職稱評審專家。


  課題組主頁:https://faculty.ustc.edu.cn/chenlifeng/zh_CN/index.htm


  本課題組長期招聘若干名博士后和特任副研究員,歡迎有品學兼優、熱愛科研、勤奮努力、勇于創新的博士加入!


應聘條件:

  (1)基本素質:品學兼優、身心健康、科研執行力強、追求高質量研究論文、具有良好的團隊合作精神。

  (2)專業要求:已獲或即將獲得化學、材料、高分子、物理、能源等相關學科的博士學位,或近期內能順利完成博士論文答辯,在高分子材料、碳材料、二次電池、集成器件、傳感、電/光催化、柔性/彈性器件等相關領域發表高水平研究論文1篇及以上,良好地掌握本領域基礎知識和前沿研究方向。

  (3)年齡要求:博士后博士畢業不超過3年;特任副研究員不超過35歲。


合作方向:

  (1)無機納米材料的設計、制備及其應用;

  (2)無機/天然高分子組裝材料的設計、制備及其應用;

  (3)無機-有機納米組裝材料在電化學能量存儲與轉換(二次電池、能量集成器件、柔性/彈性電子器件)中應用及其反應動力學機理研究;


福利待遇:

  (1)特任副研究員薪資面談;

  (2博士后年薪20-50萬元;

  (3)本課題組還將根據研究貢獻、論文發表、基金項目等給予可觀的獎勵。


  保險學校為博士后/特任副研究員辦理社會保險(基本養老保險、失業保險、基本醫療保險及醫療救助保險、工傷保險、生育保險)和住房公積金。


  住房保障:學校提供校內周轉房(兩室帶全套家具),若在校外租房,學校提供統一標準的租房補貼。


  項目申請:鼓勵作為負責人申請各類博士后科學基金、國家自然科學基金及省、市各級課題。


發展前景:

  (1)在站期間支持申請博士后國際聯合培養計劃,出站后支持推薦到國外(京都大學、南洋理工大學、新加坡國立大學、日本產業技術綜合研究所、日本國立物質材料研究所、伍倫貢大學、昆士蘭大學、馬里蘭大學、佐治亞理工學院等)知名高校/科研機構知名團隊繼續深造。

  (2推薦工作成績突出者申報中國科學技術大學或其他科研機構長聘教職


工作條件

  科研經費和空間充裕,擁有一流的公共科研平臺、良好的工作環境。


聯系方式:

  請將詳細的個人簡歷(包括前期主要研究基礎,代表論文清單等)、代表文章、未來研究興趣(以郵件正文)、1-2位推薦人姓名及聯系方式(以郵件正文)發送到陳老師的電子郵箱chenlf@ustc.edu.cn ,郵件標題注明:應聘職位+研究方向+本人姓名。

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(責任編輯:xu)
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