随着柔性电子设备和可穿戴设备的加快速度进行发展，人们对能够持续供电的电源的需求也在持续不断的增加。目前，利用环境和人体热量开发出了多种可穿戴应用的能量转换装置，如光伏、压电、水伏特发电机、热电发电机等。其中，热电化学电池（TECs）因其能够直接将低品位热量（100 ℃）转化为电能而受到慢慢的变多的关注。基于氧化还原偶的电化学势与温度相关，TECs 可通过热电效应产生较大的塞贝克系数（Se）。许多研究报告说明，Se 与许多因素相关，包括电解质中氧化还原物种及其周围溶剂和溶质物种的绝对电荷和复杂结构。例如，绝对电荷高且结构较为复杂的氧化还原物种具有较高的 Se（如 1.4 mV K-1 的 Fe(CN)64-/Fe(CN)63- 远高于 1.0 mV K-1 的 Fe2+/Fe3+）。另外，使用特定的溶剂和溶质来重新排列氧化还原物种的溶解结构或改变氧化还原偶的结晶度（如有机溶剂），也能增强 Se 的氧化还原作用。此外，人体是一个恒定的热源。人体与环境之间始终存在着稳定的温差，这为 TEC 的工作提供了持续可靠的驱动力，从而更好地突破了可穿戴电子技术维持不间断长时间供电的瓶颈。考虑到可穿戴设备的设计便利性和应用舒适性，与液态基质相比，凝胶基质电解质对促进自供电可穿戴电子科技类产品的电源发展更具吸引力。作为一种低品位的可持续热源，人体为利用热电材料将热能转化为电能提供了巨大动力，可有效地为可穿戴电子设备供电。然而，热电转换效率较低，不足以实现可穿戴设备正常运行时的能源自主性。
图 1. 基于 BC 有机凝胶的电解质的制备图、TECs 包装和概念应用。
图 3.基于 BC 有机凝胶的 TEC 的热电性能。a)不一样的温度梯度下热电偶的 Se。b) 不一样的温度梯度下热电偶的输出电压。c) BC 有机凝胶基电解质与 Fe(CN)64-/3- 的循环伏安图。d) 不一样的温度梯度下的输出电压-电流-功率曲线。e) BC 水凝胶、BC 有机凝胶和BC 有机凝胶基电解质的k值。f) Se、σ和k值与文献报道值的比较。i) 热电偶由人体热量产生的电压。
图 4. a) 基于 BC 有机凝胶的电解质的实际照片。b) BC 有机凝胶基电解质变形时的照片。c) BC 有机凝胶基电解质的压缩性能。d) BC 水凝胶、BC 有机凝胶和 BC 有机凝胶基电解质分别的拉伸应力曲线。e) BC 有机凝胶基电解质连续 20 个拉伸-松弛循环的应力-应变曲线。f) BC水凝胶、BC 有机凝胶和 BC 有机凝胶基电解质的压缩应力-应变曲线℃ 时，基于 BC 有机凝胶的 TEC 被反复 g) 弯曲、h) 拉伸和 i) 压缩的电压-时间曲线. 测量自供电应变传感器的实验装置，包括 a) 拉伸和 b) 压力。c) 测量回路的等效电路。d) ΔT = 13 ℃ 时 BC 有机凝胶基电解质受应变作用的相对电流变化（ΔI/I0），其中 I0 为零应变时的电流。e) ΔT = 13 ℃ 时 BC 有机凝胶基电解质在各种拉伸应变作用下随时间变化的电流。f) ΔT = 12 ℃时 BC 有机凝胶基电解质在压力作用下的相对电流变化（ΔI/I0），其中 I0 为零压力时的电流。h) BC 有机凝胶基 TEC 用于自供电应变传感的可穿戴应用场景图，可收集人体热量。i) 利用自供电拉伸传感器测量手指弯曲活动的示意图。j) ΔT = 9.5 ℃时手指弯曲时基于 TEC 的拉伸应变的随时间变化的电流变化。k) 带有自供电压力传感器的拇指和食指抓住瓶子的示意图。l) ΔT = 8 ℃时手指在不同力的作用下抓住瓶子时基于 TEC 的拉伸应变的随时间变化的电流变化。n) 自供电 TEC 型传感器对手指触摸和按压的相对电流变化响应。
综上所述，本研究设计并制备了基于含有 K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6 氧化还原偶的 H2O/PG 二元溶剂的应变传感 BC 热电凝胶。利用有机溶剂PG诱导氧化还原离子的浓度梯度，驱动K4Fe(CN)6结晶，从而高度增强了基于BC有机凝胶的TEC的Se（2.30 mV K-1），并有效抑制了k（0.083 W m-1 K-1）。成功构建的 TEC 阵列装置包含 8 个单元，用于收集低品位热能，并在 17 ℃ 的温差下产生最大 305.5 mV 的稳定输出电势，预示着该系统在高效收集低品位热能方面具有广阔的应用前景。此外，鉴于萃取有机凝胶在形变条件下的优异热电性能，为了验证其在可穿戴领域的实用性，研究人员在手臂上固定了一块含有15个萃取有机凝胶元件的热电池板，用于收集人体热量，该装置也能快速稳定地工作。同时，基于BC 有机凝胶的电解质因其固有的优异机械性能，还具有应变传感功能。考虑到基于 BC 有机凝胶的 TEC 具备优秀能力的热电性能和潜在的应变传感特性，我们提出并制作了一种基于 TEC 的自供电应变传感器，可实时、高灵敏度地检测人体在各种张力和压力下的运动。为自供电应变传感器开发基于萃取有机凝胶的 TEC 的研究为可穿戴应用中的热电转换技术提供了新思路。（文：SSC）
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