离子热-电转换，是针对低品位热能回收利用的热门研究领域。离子热电材料，则是一种建立在 Soret 效应之上的、以离子为载流子来将热能转为电能的材料。
离子热电材料产生的离子电流，不能像电子/空穴电流那样通过导线输送到电子元件中进行利用。因此，当前的离子热电材料都是依靠电极界面的极化电流来实现热电转换。
但是，这种工作方式的能量密度和功率密度都较低，并且工作时需要温差和外电路交替切换，因此无法实现连续的工作。
针对这一领域内存在的问题，重庆大学教授团队在 Soret 效应的基础上引入漂移电流，直接将离子电流转为可以进入外电路的电子电流，让离子热电材料实现了连续工作。
图 | 孙宽（来源：）
与此同时，他们还从理论上推演了离子-电子复合热电材料的载流子迁移规律，得到了离子-电子复合热电材料的塞贝克系数表达式，最重要的是得到了离子-电子复合热电材料的设计原则。同时，相关材料所能达到的能量密度、功率密度和热电压等各项参数都很高。
课题组把这种具备 Soret 效应、能够结合漂移电场从而将离子电流转为电子电流的方式命名为“离子-电子热电协同效应”。其希望该效应能为离子-电子复合热电材料的设计提供指导，并能为离子热电材料的应用化提供新思路。
据介绍，本次工作聚焦于离子热电转换在低品位热能的回收利用。在地球上，低品位热能的规模和分布都非常广泛。在不久的将来，预计这项成果可以为可穿戴器件例如手表、健康监测器件、手机等随身电子元件以及物联网器件提供能量。
除了能源转换之外，还可以将温度、光照、力学性能和电信号实现相互转换，从而用于遥感、医疗、光学传感等领域。
据介绍，这项课题起源于该团队在离子热电领域工作的积累，他们发现离子热电材料在工作机制上存在一些问题：例如能量密度低、热-电转换过程不连续、输出功率密度低，这导致离子热电材料虽然有着毫伏每开尔文级别的高塞贝克系数，但却无法在日常生活生产上进行应用。
于是，课题组试图从根源上来解决上述问题。而他们思考的是：能否既发挥离子热电材料的高塞贝克系数，又借鉴电子热电材料的高输出功率？
所以，该团队先是对离子热电材料的基本工作理论进行深挖，然后借鉴他人的成功经验，从理论上推演了离子-电子复合热电材料中的载流子迁移物理模型。
此外，他们还做出如下推测：上述模型产生的能量密度，大于传统的离子热电材料。为验证上述推测，他们又对材料进行二次设计，期间历经离子-电子导体的设计和载流子选取等步骤，也经历了数次失败。
最终历时两年，课题组终于完成了离子-电子热电协同效应的理论论证和完善。
另据悉，这项研究的核心在于提出和推导了离子-电子热电协同效应。在所推导的载流子迁移物理模型形成之后，他们经常反问自己这个模型是否还存在说服力不足的地方。
为此，他们让全课题组的老师挨个讨论和解释，随后对模型做出进一步的修订。为了寻找一种既能传导离子又能传导电子、还能兼容电解质的材料，该团队下了不少功夫。
一次偶然的情况下，他们想到当时实验室正在用的生物质材料——碳化柚子皮，实验之后发现正好可以满足他们的使用场景。
在确定离子-电子导体之后，该团队的原本思路是将水凝胶注入多孔材料之中。但是，数次实验之后他们又发现水分在温差之下非常容易蒸发，这会导致离子失去溶剂、进而导致材料失效。
又一次偶然的情况下，的学生想起在做其他实验时发现 BMIM:Cl 这种离子液体非常吸水，并且在低湿度和高温下也能确保水分不丢失。
因此，他们又将载流子改成 BMIM:Cl 这种离子液体，实验之后确实发现水分蒸发得比较少。然而，一开始他们观察到的电压仅有几伏到十几毫伏。
就当他们以为实验又要失败时，又发生了一次偶然：在一次热电压的测试中，测试 2 个小时候之后，电压突然开始上升。
进行重复实验之后，他们发现这是由于之前的测试时间不够久，因此导致没有观察到电压的巨幅增长。
后来，他们结合理论推导和实验验证，在论文中对上述现象进行了解释。完成实验之后，大家不禁感叹有时实验的成功恰恰来源于偶然的机会。
但是，认为这更是他们坚持实验探索、不断积累经验、并能及时抓住各种实验现象，再加上学生强烈的求知欲望而产生的结果。
最终，相关论文以《离子-电子耦合使离子热电材料具有新的工作模式和高能量密度》（ ）为题发在 Nano-Micro Letters 上，该团队的硕士生何勇杰是第一作者，教授担任通讯作者 [1]。
图 | 相关论文（来源：Nano-Micro Letters）
作为一名硕士生，就可以在顶刊发论文，当然值得点赞。但这并不是本次研究的结束，目前课题组正从实验和理论两个方面进行不断地完善，主要目的是将离子-电子复合热电材料的功率最大化。另外，只有进一步地保持水分，才能让材料工作时间变得更长，直至可以达到数月之久。
参考资料：
1.Ion–Electron Coupling Enables Ionic Thermoelectric Material with New Operation Mode and High Energy Density, Nano-Micro Letters, DOI: 10.1007/s40820-023-01077-7https://www.springer.com/journal/40820
排版：朵克斯
