武培怡教授AFM：用于连续发电的抗疲劳和高导电热电池

现有的热电池模仿生物体的能量转换机制，为可穿戴设备提供持续发电的可能性。但其可用性、寿命和可扩展应用目前受机械性能差的限制，尤其是长期抗疲劳性。

在此，东华大学武培怡教授等人受天然肌肉结构-特性相关性的启发，设计了一种抗疲劳和高导电的准固体热电池来模拟天然肌肉中的分层原纤维和排列的纳米通道。首先，通过冻融法制备物理交联的各向同性聚乙烯醇（PVA）水凝胶，之后热电离子如亚铁/铁氰化物（[Fe(CN)₆^4- /Fe(CN)₆^3-]) 离子通过溶剂交换渗透到水凝胶中。

同时，各向同性的PVA水凝胶被机械拉伸器循环拉伸，模仿自然肌肉的机械训练。当机械训练的预应变从0% 增加到150% 时，杨氏模量和断裂功急剧增加。同时，拉伸性的下降可以忽略不计。经过合理的机械训练，热电池中的聚合物网络会自重组并模仿自然肌肉中的层次结构。

图1. 热电池增强的仿生机械性能

研究表明，最初机械性能较差的热电池可通过上述自重组过程，在不影响热电功率密度的情况下显著改善其长期机械性能。相对而言，拉伸性、韧性和疲劳阈值≈470%、17900 J m^-2和2500 J m^-2，甚至高于天然肌肉。与现有的具有无序纳米网络的准固体热电池相比，离子电导率增加了约5倍，这可能是由于对齐的纳米通道对离子传输的贡献。此外，功率密度甚至可与最先进的准固体热电池相媲美。

进一步，该热电池可以大规模生产和组装大型阵列，输出电压超过数百毫伏，具有完美的机械适应性。这项工作证明了通过设计能量收集和转换材料的分层架构同时提高机械性能和输出功率的可行性，生物启发的见解也可能促进电源的发展，以提供持续、方便和舒适的人机交互体验。

图2. 人工热电池和天然电池中能量转换机制的示意图和性能比较

Anti-Fatigue and Highly Conductive Thermocells for Continuous Electricity Generation, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202201021