西南交大杨婷婷等《Mater. Horiz.》: 结合离子二极管和离子水凝胶的高效耐寒湿基发电机

2023-12-29 来源：高分子科技

湿基发电机作为一种新型绿色离网能源采集技术，在光照少、湿度大的山区和森林地区具有独特的优势。然而，现有设计仍然存在输出功率密度低的问题，并且冬季结冰也会对器件产生负面影响。在器件中添加盐离子是一种常见的防冻策略，但它会大大缩短德拜长度，导致离子选择性传输较差，削弱器件的发电性能。因此，如何定制功能材料的物理和化学性能并创新结构设计策略以实现高输出功率和优异防冻性能的平衡仍然具有挑战性。

图1 器件的设计思路和低温发电性能

近期，西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所杨婷婷副研究员将离子水凝胶与离子二极管结构相结合，制备出兼具高发电性能和良好抗冻性的湿基发电机。通过实验和模拟发现，发电性能与离子整流特性密切相关。水凝胶聚合物网络上修饰大量磺酸基，解离后提供具有高表面电荷的纳米级孔，有利于实现高效整流和高功率输出。通过在水凝胶中添加具有优异吸湿和抗冻性能的LiCl，进一步提高了器件的发电和抗冻性能。重要的是，由于水凝胶网络对LiCl的亲和性，LiCl的添加并没有削弱离子二极管的整流特性，从而实现了高输出功率和良好抗冻性的出色平衡。因此，器件能够在宽湿度范围（15%RH~98%RH）和宽温度范围（-20℃~60℃）下连续高性能发电。该工作以“Efficient and cold-tolerant moisture-enabled power generator combining ionic diode and ionic hydrogel”为题发表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/D3MH01496G）。文章第一作者是西南交通大学硕士研究生房嘉豪。该研究得到四川省自然科学基金委和西南交通大学科学技术发展研究院的支持。

图2 器件的应用展示

该工作是杨婷婷副研究员与合作者近期关于湿基发电相关研究的最新进展之一。现有的湿基发电器件存在输出功率密度低、输出时间短的问题。为此创新纳米流道结构与界面结构设计，开发高性能的湿基发电器件及自供电传感集成系统。在过去的两年中，设计并制造了基于离子二极管结构的长寿命湿基发电器件（Nature Communications,2022,13:3484），基于多级孔结构的多模态湿基发电器件（Advanced Energy Materials,2022,12,2202634），基于涂覆工艺的柔性湿基发电阵列器件（Advanced Functional Materials,2023,2311465）,基于离子二极管结构的宽盐度范围发电器件（Nano Energy,2023,108:108220），湿电式非接触传感器件（Biosensors and Bioelectronics,2024,247,115922）等,基于封装策略的抗气体/热干扰的湿度传感器件（Sensors And Actuators B,2023,396,134517）。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01496g

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（责任编辑：xu）

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