一种热电胶体材料及器件的制备方法及产品技术

本发明专利技术公开了一种热电胶体材料及器件的制备方法及产品，通过将聚合物溶液与氧化还原电解质互相混合后，对生成物经过固化处理制备获得热电胶体；热电胶体通过改变氧化还原电解质来调控热电化学Seebeck系数和热电输出性能；由于该热电胶体具有柔性可拉伸的特性，通过模具将该热电胶体制备成所需的固态形状；固态的热电胶体适用于大面积的封装集成；通过将热电胶体与电极进行封装集成制备成热电器件；该热电器件能够有效地将低尺度热能转化为电能，在柔性电子器件和穿戴设备上具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源
，更具体地，涉及一种热电胶体材料及器件的制备方法及产品。
技术介绍
随着可穿戴电子器件和电子皮肤的发展，它们的能源供给逐渐引起人们的关注。在众多的自驱动能源供给系统中，热能广泛存在于环境和工业生产，尤其是人体与环境之间的热能，可以直接转化为电能对可穿戴器件供能。传统的半导体和聚合物热电材料的热电化学Seebeck系数很小，并且这两类材料的柔性性能差、造价较高、制备过程繁琐；这些因素严重限制了它们的广泛应用。现有技术中的热电转化装置，利用热电化学效应(ThermogalvanicEffect)，可以得到很大的Seebeck系数，在这类热电化学装置中，含有氧化还原电解质，当两个电极保持在不同温度就可以产生电能输出；但是由于液态电解质的参与，使得这类热电化学装置在封装和大面积集成上受到很大限制，难以应用于可穿戴电子设备的供能。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种热电胶体材料及器件的制备方法及产品，其目的在于通过对热电胶体材料进行改进以解决现有热电化学装置不易封装和集成的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种热电胶体材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在80～90℃温度下配备0.01～0.1g/mL的聚合物溶液；(2)在200～500转每分钟的搅拌速度下，以0.05～0.1mL/s的速度往上述聚合物溶液中缓慢加入氧化还原电解质，并混合至均匀，获得中间件；(3)将上述中间件用模具进行固化处理，制备得到各种形状的热电胶体。优选地，上述热电胶体材料的制备方法，聚合物采用聚乙烯醇(PVA)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚氧化乙烯(PEO)。优选地，上述热电胶体材料的制备方法，氧化还原电解质采用Fe2+/Fe3+、Np3+/Np4+或Fe(CN)64-/Fe(CN)63-。为实现本专利技术的目的，按照本专利技术的另一个方面，提供了一种热电器件的制备方法，包括如下步骤：(1)在柔性基底上沉积形成金属电极；(2)将热电胶体置于两片金属电极之间，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者环氧树脂在金属电极之间的热电胶体周围进行封装，获得热电器件。优选地，上述热电器件的制备方法，金属电极采用铬金电极；柔性基底采用聚酰亚胺(PI)、或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。为实现本专利技术的目的，按照本专利技术的另一个方面，提供了一种热电胶体，具体为PVA-FeCl2/FeCl3胶体、PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6胶体或PVA-Np(NO3)3/Np(NO3)4胶体。按照本专利技术的另一方面，提供了一种热电器件，通过将不同极性的热电胶体利用交叉金属电极串联形成；串联形成的热电器件，其输出电压等于单个热电胶体输出电压之和。优选的，上述热电器件，其热电胶体采用PVA-FeCl2/FeCl3胶体和PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6胶体。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的热电胶体的制备方法，通过复合聚合物和具有热电化学性能的氧化还原电解质制备获得具有热电性能的胶体，由于采用了聚合物材料，所制备的胶体具有一定的机械性能，可以固化成柱状或块状等应用所需各种的形态，并且保持了氧化还原电解质的热电化学性能，所制备的热电胶体具有很高的Seebeck系数，在低尺度的温差下具有较大的热电电压输出，适用于制备热电器件；热电化学材料的Seebeck系数比半导体热电材料大很多，这是热电化学效应的优势，但具有热点化学效应的物质(氧化还原电解质)多为液态的；采用液态物质制备器件在封装上非常复杂，而采用固态材料则可以解决封装问题；本专利技术提供的制备方法，利用聚合物达到将氧化还原电解质半固化处理的目的，得到既具有固体机械性能，又具有热电效应的胶体；(2)根据本专利技术所提供的制备方法所制备的热电胶体，相比于液体热电化学材料，更容易封装获得定热电器件；(3)根据本专利技术所提供的制备方法所制备的热电器件，通过将不同极性的热电胶体进行串联实现大面积集成，获得具备柔性可穿戴特性的热电器件。附图说明图1是利用实施例1所制备的PVA-FeCl2/FeCl3胶体制成的热电器件的热电性能示意图；图2是实施例2所制备的PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6胶体制成的热电器件的热电性能示意图；图3是实施例1的PVA-FeCl2/FeCl3热电器件与实施例2的PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6热电器件串联的热电性能示意图；图4是实施例3的PVA-FeCl2/FeCl3热电器件与的PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6热电器件集成示意图；图5是实施例3所集成的热点器件的热电性能示意图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电极，2-柔性基底，3-PVA-FeCl2/FeCl3热电胶体，4-PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6热电胶体。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施例1实施例1提供的热电胶体制备方法，包括如下步骤：(1)将4g聚合物粉末在80℃下溶于40mL水，获得澄清的聚合物溶液；(2)待上述聚合物溶液澄清时，以0.1mL/s的速度将10mL0.1M的FeCl2/FeCl3(含有1mLHCl，防止水解)缓慢加入到上述澄清的聚合物溶液，在200转每分钟的搅拌速度下搅拌均匀，获得PVA-FeCl2/FeCl3胶体；(3)采用模具将上述PVA-FeCl2/FeCl3胶体固化，制成直径为3mm，厚度为1mm的圆柱状胶体。将实施例1制备的热电胶体利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装于两片铬金电极之间，获得热电器件；其中，铬金电极镀于PI(polyimide，聚酰亚胺)膜上。图1所示，是利用实施例1的制备方法所制备的PVA-FeCl2/FeCl3胶体制成的热电器件的热电性能示意图；其Seebeck系数为1.02mVK-1，高温端电极电压为正，在20℃温差下短路电流为2.96Am-2。实施例2实施例2提供的热电胶体制备方法，包括如下步骤：(1)将4g聚乙烯醇在85℃下溶于400mL水，获得聚合物溶液；(2)待上述聚合物溶液澄清时，以0.07mL/s的速度将10mL0.1M的K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6缓慢加入到澄清的聚合物溶液，在300转每分钟的搅拌速度下搅拌使之均匀溶解，获得PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6胶体；(3)采用模具将上述PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6胶体固化，制成直径为3mm，厚度为1mm的圆柱状胶体；将实施例2制备的热电胶体利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装于两片铬金电极之间，获得热电器件；其中，铬金电极镀于PI膜上。利用实施例2的制备方法所制备的PVA-K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6胶体制成的热电器件的热电性能如图2所示，其Seebeck系数为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电胶体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在80～90℃下配备0.01～0.1g/mL的聚合物溶液；(2)在200～500转每分钟的搅拌速度下，以0.05～0.1mL/s的速度往所述聚合物溶液中缓慢加入氧化还原电解质，并混合至均匀，获得中间件；(3)将所述中间件进行固化处理以获得热电胶体。

【技术特征摘要】
1.一种热电胶体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在80～90℃下配备0.01～0.1g/mL的聚合物溶液；(2)在200～500转每分钟的搅拌速度下，以0.05～0.1mL/s的速度往所述聚合物溶液中缓慢加入氧化还原电解质，并混合至均匀，获得中间件；(3)将所述中间件进行固化处理以获得热电胶体。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物采用聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氧化乙烯。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化还原电解质采用Fe2+/Fe3+、Np3+/Np4+或Fe(CN)64-/Fe(CN)63-。4.一种热电胶体，其特征在于，所述热电胶体为PVA-FeCl2/FeCl3胶体、PVA-...

【专利技术属性】
技术研发人员：周军，刘抗，杨培华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42