我室王华平、陈仕艳教授团队在储能型热-电池方向取得重要研究进展

近日，我室王华平、陈仕艳教授团队在热电材料研究领域取得重要进展，该研究成果以“Confined phase transition triggering high-performance energy storage thermo-battery”为题发表于国际顶尖期刊Energy & Environmental Science上，该学术期刊是英国皇家化学会的旗舰期刊、世界公认的能源与环境科学领域的顶尖刊物，影响因子32.5 (文章链接为：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee01435a/unauth)。

热电化学电池（热电池）可以利用电化学氧化还原电位的温度依赖性直接将热能转换为电能，与传统的固态热电电池相比，热电池凭借低成本、可扩展性、灵活性和固有的高热功率等优点被深入研究并取得了巨大进步。然而，热电池能够通过收集热能来产电的关键点是：在整个电池中要存在一个明显的温度差，以充当热电池工作的驱动力，当冷热电极之间没有温度差时，开路电压会瞬间骤降至0 V，表明其只具备发电的能力，而没有储能的性质。到目前为止，热电池的研究更多侧重于提高电池本身的热电性能和跨学科应用方面，几乎很少关注热电池在发电基础上是否还应具备存储电能的问题。

面对此研究现状，研究团队开创性的利用诱导氧化还原对的热响应性材料的可逆相变制备了集热电转换和储能于一体的热-电池（Thermo-battery）。首先利用热响应性材料甲基纤维素（MC）与I₃⁻离子之间的高温疏水相互作用诱导了I₃⁻离子在热端和冷端电极之间的浓度梯度（ΔC），成功实现I⁻/I₃⁻氧化还原对的n-p型转化（图1）。此外，当消除冷/热端电极之间的温度差时，得益于MC-I₃⁻复合物的缓慢解离，基于MC + I⁻/I₃⁻电解质的热电池可以在电压不为0 mV的情况下进行长达44小时的自放电行为，成功触发了发电型热电池向储能型热-电池的转变，这是首次实现热电领域内集热电转换和电能储存于一体的装置的制备。同时为进一步增强热-电池的发电以及存储性能，在MC诱导冷热端电极处I₃⁻离子浓度梯度的基础上，采用具有3D网络结构的细菌纤维素（BC）水凝胶来限制MC进行原位相变，通过减小离子团簇的尺寸来提高I₃⁻离子的溶剂化作用显著增强热-电池的性能（图2）。这一策略为推动高性能热-电池提供了新的研究思路。

图1 MC凝胶化诱导n-型到p-型的转换机制示意图

图2发电型热电池转变为储能型热-电池的作用机制

上述工作得到了国家自然科学基金面上项目(52073050, 52273103)等项目的支持。