通过离子物种工程调控热扩散/电化学偶合作用实现高性能离子热电池

把微弱的温暖转化为有用的能量

每天都有大量低品位的热量从温暖的管道、电子设备、工厂设备，甚至我们自身的皮肤散失到空气中。本文探讨了一种新型的软性含盐凝胶，能将这些小的温差直接转化为电能。通过在柔性聚合物中精心设计铜离子和氯离子之间的排布，研究者展示了如何从低品位热源获得既高电压又稳定输出的电力，为自供电可穿戴设备和仅靠温差驱动的小型传感器打开了可能性。

为什么废热难以利用

大多数将热转为电的技术依赖电子在由稀有或昂贵金属构成的刚性晶体中流动。这些传统装置在高温下效率最佳，并且每单位温差通常只产生有限的电压。因此，它们不适合收集低于约100 °C的温和热源，例如人体热或室温设备。相比之下，离子热电凝胶利用在含水软网络中移动的离子，在一侧较热另一侧较冷时产生电压。有些凝胶能产生巨大的瞬时电压但很快衰减，而另一些则能持续输出但电压较低。核心挑战一直是在同一种简单材料中同时实现高电压和持久功率，尤其是实现负载（n 型）系统，这是实用设备所需的。

一种简单凝胶的隐性优势

研究团队关注的是一种配方简单的体系：将常见的水溶性聚合物（聚乙烯醇）浸渍入氯化铜盐溶液。乍看之下，这类凝胶主要以热驱动离子从热端向冷端迁移并短暂积累电荷的效应为人所知。作者发现，在氯离子的存在下，铜离子还能在温差作用下在两种价态（Cu²⁺和Cu⁺）之间可逆转换。该“热电化学”反应使电子能够通过外电路反复流动，从而维持长时间的电流。借助高级拉曼散射、X 射线探测和计算机模拟，研究者直接跟踪了工作状态下凝胶内铜–氯配合物的形成、迁移和价态切换过程。

将两条发电路径平衡起来

在这种凝胶中，电力来自两种交织的过程。首先，在温度梯度下，氯离子和铜配合物发生热扩散，这可以产生较大的电压但往往是短暂的。其次，电极处的铜离子在氯离子的稳定作用下反复发生得失电子的氧化还原循环，这支持持续电流输出。关键在于，两种过程都依赖于相同的氯离子，因此它们互相竞争。在低氯化铜含量时，凝胶以离子热扩散为主，产生非常大的电压——超过每度30毫伏——但持续电流受限。随着氯化铜浓度增加，更多铜–氯配合物出现，增强了热电化学反应和功率输出，同时纯热扩散对电压的贡献逐渐被抑制。

通过调控内部化学实现最佳性能

通过精确绘制不同盐浓度下存在的铜–氯物种，作者确定了能在高电压与强功率之间取得最佳平衡的组合。中等浓度下以简单铜配合物为主，它们同时支持两种机制，产生了约−30.6毫伏/开尔文的创纪录热电势——远超典型电子热电材料。更高的氯含量（有时通过添加如氯化钙等额外盐类以及在电极上镀一层薄金来辅助）可将活性氧化还原对数量最大化。这使得功率密度提升到每平方米每开尔文平方0.6毫瓦，并且能在数小时内持续放电，循环稳定性优秀。将16个此类电池串联构成的模块在仅15 °C的温差下可达3.5伏，能够在无需额外电子元件的情况下为小型设备供电。

从温暖表面走向自供电设备

对非专业读者来说，关键信息是：研究者学会了如何“调配配方”，使这种软性铜盐凝胶能够既强力又稳定地将微弱温暖转化为电能。通过控制铜离子与氯离子的配对与迁移，他们克服了长期存在的高电压与长效输出之间的权衡。由此产生的柔性、低成本离子热电电池和模块能够利用日常环境中的小温差运行，指向未来那些可以悄然从周围温暖中自供电的可穿戴设备和传感器的发展方向。

引用: Li, Y., Qiu, YR., Liao, J. et al. Modulating thermo-diffusion/galvanic coupling via ion speciation engineering enables high-performance ionic thermoelectric cells. Nat Commun 17, 2209 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68721-9

关键词: 离子热电学, 废热收集, 氯化铜凝胶, 柔性能源器件, 热电化学电池