一种巨热电势离子热电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种巨热电势离子热电薄膜及其制备方法。将聚环氧乙烷与溶剂混合，得到聚合物溶液；将含离子液体加入到聚合物溶液中，将所得混合物浇筑于模具中烘干。本发明专利技术的薄膜及器件具有良好的柔性和断裂伸长率，合成方法简单，适用于大批量的制备。最为重要的是，所述热电薄膜在人体舒适湿度下表现出超高离子热电势，填补了当前常规湿度下高性能离子热电材料的空缺，具有优良的热电响应，实现了塞贝克系数和电导率的同时优化，不存在传统热电材料中参数耦合的难题，且同时具有优异的空气稳定性，易于加工成柔性热电器件，为热能收集

【技术实现步骤摘要】
一种巨热电势离子热电薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种人体舒适湿度下巨热电势离子热电薄膜及其制备方法，属于离子热电薄膜及其制备


技术介绍

[0002]当前能源危机和废热消耗问题引起人们对低能级能量收集和转换技术的关注，热电技术能够实现热能到电能的转换，而可穿戴电子设备的发展也促进了柔性热电材料与器件的研究。传统的热电材料，塞贝克系数相对较低，通常小于1mV/K，并且塞贝克系数和电导率之间存在的耦合关系制约了其进一步的应用。与传统热电材料中的电子和空穴作为载流子不同，由离子扩散驱动的离子热电材料最近受到越来越多的关注。例如，由于巨大的热电压、离子塞贝克比电子材料的高2
‑
3个数量级，在发展能量转换和存储一体式能源器件方面具有巨大的潜力。
[0003]相比于水系离子凝胶需要克服水分蒸发引起的性能不稳等问题，离子液体具有非挥发性，可有效提高离子凝胶的稳定性。然而，目前报道的离子热电材料通常需要在90％左右的高湿度下呈现出高的塞贝克系数，低湿度下材料的塞贝克系数有待提高。对于适用于可穿戴热电材料体系来说，人体舒适的湿度在30％
‑
60％之间，因此发展低湿度下高塞贝克系数的离子热电材料具有重要应用意义。
[0004]Crispin等人(Zhao D.,Wang H.,Khan Z.U.,Chen J.,Gabrielsson R.,Jonsson M.P.,Berggren M.,Crispin X.J.E.,Science E.,Ionic thermoelectric supercapacitors.2016,9(4):1450
‑
1457.)制备了一种液态PEO和NaOH复合的离子热电材料，其离子塞贝克系数为11.1mV/K，此材料电导率仅有8.13
×
10
‑2mS/cm，且无法进行拉伸。Klas Tybrandt等人(Kim N.,Lienemann S.,Petsagkourakis I.,Mengistie D.A.,Kee S.,Ederth T.,Gueskine V.,Leclere P.,Lazzaroni R.,Crispin X.,Tybrandt K.,Elastic conducting polymer composites in thermoelectric modules.Nature Communications 2020,11(1).)制备了水性聚氨酯、PEDOT：PSS和离子液体的复合薄膜，该材料断裂伸长率大于600％，然而塞贝克系数仅有22μV/K。Sung
‑
Yeon Jang等人(Akbar Z.A.,Jeon J.
‑
W.,Jang S.
‑
Y.,Intrinsically self
‑
healable,stretchable thermoelectric materials with a large ionic Seebeck effect.Energy&Environmental Science 2020,13(9):2915
‑
2923.)制备了聚苯胺、聚电解质与植酸的复合凝胶，断裂伸长率可达750％，该材料热电性能对湿度依赖严重，在90％的高湿度下塞贝克系数达到8.1mV/K。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：现有热电薄膜对高湿度严重依赖的问题以及如何实现离子塞贝克系数和电导率的解耦，同时赋予该热电薄膜超高的断裂伸长率和稳定的热电性能。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种巨热电势离子热电薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)：将聚环氧乙烷与溶剂混合，密封条件下加热搅拌，得到聚合物溶液；
[0008]步骤2)：将含离子液体加入到聚合物溶液中，继续于密封条件下加热搅拌；
[0009]步骤3)：将步骤2)所得混合物浇筑于模具中，溶剂自然挥发后，置于烘箱中继续烘干，得到离子凝胶膜，即为巨热电势离子热电薄膜的。
[0010]优选地，所述步骤1)中聚环氧乙烷的分子量为1000000
‑
6000000；所述聚合物溶液中还加入非离子液体增塑剂，具体采用嵌段共聚物聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷、氧化硅或钛酸锶纤维；所述溶剂为乙腈或乙醇。
[0011]更优选地，所述嵌段共聚物聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷(P123)的分子量为5800；所述氧化硅的粒径为15nm；所述钛酸锶纤维的长度为1
‑
2μm。
[0012]优选地，所述步骤1)中，以聚环氧乙烷与非离子液体增塑剂的质量之和为基准，非离子液体增塑剂的质量百分含量不高于60％。
[0013]优选地，所述步骤2)中含离子液体占离子凝胶膜总质量的30
‑
80％。
[0014]优选地，所述步骤2)中的含离子液体为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑醋酸盐，1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑二氰胺盐、1
‑
己基
‑3‑
甲基咪唑醋酸盐和1
‑
癸基
‑3‑
甲基咪唑醋酸盐中的至少一种。
[0015]本专利技术还提供了上述巨热电势离子热电薄膜的制备方法制备的巨热电势离子热电薄膜。
[0016]优选地，所述巨热电势离子热电薄膜使用环境的湿度为50
‑
60％。
[0017]本专利技术还提供了一种人体舒适湿度下巨热电势离子热电薄膜器件，其包括上述巨热电势离子热电薄膜，所述巨热电势离子热电薄膜通过电极与外接电阻相连形成离子热电容器，该离子热电容器实现低能级热量收集、存储和转换。
[0018]优选地，所述电极为喷墨打印制备的银带；所述外接电阻为9kΩ
‑
1MΩ。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0020](1)本专利技术制备了一种准固态离子热电凝胶，具有灵敏的热电响应，在0.7K温差下，热电压能达到12.7mV；16K温差下，热电压达到280mV。50％
‑
60％湿度下离子塞贝克系数为17.8mV/K，离子电导率高达1.3mS/cm。
[0021](2)本专利技术的一种准固态离子热电凝胶，具有优良的机械性能，断裂伸长率最大可达970％。经过100％拉伸后，离子塞贝克系数仅下降了20％。
[0022](3)本专利技术制备的离子热电凝胶，具有空气稳定性，放置600小时后，离子塞贝克系数保留可达80％。
[0023](4)本专利技术中组装的离子热电容器，在1MΩ的负载下，对于1.3K的温差，能量收集可达到195nJ。
[0024](5)本专利技术方法可以同时提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种巨热电势离子热电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将聚环氧乙烷与溶剂混合，密封条件下加热搅拌，得到聚合物溶液；步骤2)：将含离子液体加入到聚合物溶液中，继续于密封条件下加热搅拌；步骤3)：将步骤2)所得混合物浇筑于模具中，溶剂自然挥发后，置于烘箱中继续烘干，得到离子凝胶膜，即为巨热电势离子热电薄膜的。2.如权利要求1所述的巨热电势离子热电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中聚环氧乙烷的分子量为1000000
‑
6000000；所述聚合物溶液中还加入非离子液体增塑剂，具体采用嵌段共聚物聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷、氧化硅或钛酸锶纤维；所述溶剂为乙腈或乙醇。3.如权利要求2所述的巨热电势离子热电薄膜的制备方法，其特征在于，所述嵌段共聚物聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷的分子量为5800；所述氧化硅的粒径为15nm；所述钛酸锶纤维的长度为1
‑
2μm。4.如权利要求1所述的巨热电势离子热电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，以聚环氧乙烷与非离子液体增塑剂的质量之和为基准，非离子液体增塑剂的质量百分含量不高于60％。5.如权利要求1所述的巨热...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，张骐昊，王连军，江莞，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：