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中國(guó)科大陳立鋒教授課題組 Adv. Mater.: 抗干燥、抗凍和機(jī)械魯棒性的高性能三元凝膠熱電池
2025-03-07  來(lái)源:高分子科技

  柔性凝膠熱電池(GTC)提供了一種安全、簡(jiǎn)便、可擴(kuò)展的直接熱能到電能轉(zhuǎn)換方法。鑒于其連續(xù)的工作模式和對(duì)動(dòng)態(tài)人機(jī)界面的適應(yīng)性,GTC在自供電可穿戴電子領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用潛力,特別是在快速擴(kuò)展的全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的背景下。然而,為了使GTC在實(shí)際應(yīng)用中切實(shí)可行,它們應(yīng)該同時(shí)表現(xiàn)出(1)高熱功率Si)和離子電導(dǎo)率,以實(shí)現(xiàn)高輸出功率密度;(2)抗凍和抗干燥性,以適應(yīng)各種操作環(huán)境,以及(3)優(yōu)異的機(jī)械韌性,以支持柔性可穿戴設(shè)備長(zhǎng)期服役。通常情況下,高Si是通過(guò)誘導(dǎo)氧化還原離子熱敏結(jié)晶以形成高的濃度梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)的,機(jī)械強(qiáng)度是通過(guò)增加聚合物鏈的交聯(lián)密度或引入額外的交聯(lián)位點(diǎn)來(lái)提高的。然而,這些方法往往阻礙了活性離子的輸運(yùn)而損害有效離子電導(dǎo)率,從而限制高功率密度。此外,傳統(tǒng)的凝膠電解質(zhì)對(duì)各種操作環(huán)境的適應(yīng)性較差,在干燥和冰凍溫度等極端條件下面臨挑戰(zhàn)。


1 TGTC的設(shè)計(jì)原則及工作機(jī)制


  為了解決這些限制,他們通過(guò)將鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀(Fe(CN)63?/4?)氧化還原電對(duì)、熱敏結(jié)晶劑鹽酸胍(GdmCl)和支持電解質(zhì)氯化鋰(LiCl)復(fù)合電解質(zhì)集成于天然納米纖維素水凝膠(NC)基體中,開(kāi)發(fā)出一種抗凍、抗干燥、機(jī)械性好、熱電性能優(yōu)異的三元凝膠熱電池(TGTC),實(shí)現(xiàn)TGTC的熱電性能、抗凍性和機(jī)械性能的同步提升。實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果,揭示了其抗干燥、抗凍結(jié)及機(jī)械性能的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制。其中,NC水凝膠富含羥基,對(duì)電解質(zhì)的負(fù)載率高達(dá)96%,并且具備較高的機(jī)械強(qiáng)度;GdmCl誘導(dǎo)選擇性Fe(CN)64?形成熱敏結(jié)晶,增強(qiáng)氧化還原對(duì)的濃度差,提高Si,并顯著增加纖維間摩擦力,而LiCl通過(guò)電遷移迅速平衡電荷,促進(jìn)活性離子遷移,從而顯著提升輸出功率密度,并重構(gòu)氫鍵網(wǎng)絡(luò),有效捕獲水分子,協(xié)同提高了TGTC的抗干燥、抗凍結(jié)性能及機(jī)械強(qiáng)度。因此該TGTC表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能,Si高達(dá)3.42 mV K?1,最大功率密度為2.8 mW m?2 K?2,在?20 °C下可穩(wěn)定循環(huán)多次,同時(shí)機(jī)械性能優(yōu)異,拉伸強(qiáng)度達(dá)3.06 MPa,在變形過(guò)程中仍能維持穩(wěn)定的電壓輸出和可恢復(fù)的電流響應(yīng)。為了驗(yàn)證其實(shí)用性,他們組裝了輸出電壓達(dá)2.08 V、最大功率30.1 mWΔT = 30 K)的熱集成式熱電池樣機(jī),無(wú)需電壓放大器即可成功驅(qū)動(dòng)LED陣列并為超級(jí)電容器充電。此外,該器件在人體熱能收集方面表現(xiàn)優(yōu)異,展現(xiàn)了其在自供能可穿戴電子領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。本研究提出了一種通用的高性能GTCs開(kāi)發(fā)策略,在低品位能量收集和自供電可穿戴電子的領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。


2 TGTC的熱電性能評(píng)估


3 TGTC熱功率和離子電導(dǎo)率協(xié)同增強(qiáng)機(jī)理


4 TGTC抗干燥防凍性能評(píng)估


5 TGTC的機(jī)械性能和柔性評(píng)估


熱電池樣機(jī)的組裝與應(yīng)用


  相關(guān)研究成果以“Development of Ternary Hydrogel Electrolytes for Superior Gel Thermocells: Exceptional Anti-Drying, Anti-Freezing, and Mechanical Robustness”為題發(fā)表在Advanced Materials (2025, 10.1002/adma.20242021)期刊上。文章的第一(共一)作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士研究生桂吉祥、博士后程燕、博士后任凱和劉澤鵬。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳立鋒教授為論文通訊作者。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)家(海外)資助項(xiàng)目(GG2090007003)、國(guó)家自然科學(xué)基金(U2230101)、中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(WK2490000002)和中國(guó)科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.20242021


課題組介紹與招聘


課題組負(fù)責(zé)人:

  陳立鋒,國(guó)家四青人才、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授;合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雙聘研究員,主要從事納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、宏量制備及其能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換(新型二次電池、超級(jí)電容、柔性?xún)?chǔ)能器件、電/光催化)機(jī)制研究,在Science、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.Energy Environ. Sci.等國(guó)際著名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇,總論文他引9000余次,研究工作被國(guó)內(nèi)外同行高度評(píng)價(jià);曾獲Nano Research Top Papers Award、JSPS Postdoctoral Fellowship、安徽省品學(xué)兼優(yōu)畢業(yè)生等獎(jiǎng)項(xiàng);主持了國(guó)家自然科學(xué)基金委海外優(yōu)青、面上、聯(lián)合基金培育項(xiàng)目以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題,作為骨干成員參與了中國(guó)工程院戰(zhàn)略研究與咨詢(xún)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目等;參與編寫(xiě)專(zhuān)著2部,受邀擔(dān)任國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Nano ResearchChinese Chemical LettersInternational Journal of Extreme Manufacturing青年編委;Acta Physico-Chimica Sinica期刊中碳材料與電化學(xué)儲(chǔ)能專(zhuān)刊客座編輯;Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.Nano Energy、Coord. Chem. Rev.等國(guó)際期刊特邀審稿人;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家;科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家;國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃評(píng)審專(zhuān)家;安徽省科技項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家;安徽省正高職稱(chēng)評(píng)審專(zhuān)家。


  課題組主頁(yè):https://faculty.ustc.edu.cn/chenlifeng/zh_CN/index.htm


  本課題組長(zhǎng)期招聘若干名博士后和特任副研究員,歡迎有品學(xué)兼優(yōu)、熱愛(ài)科研、勤奮努力、勇于創(chuàng)新的博士加入!


應(yīng)聘條件:

  (1)基本素質(zhì):品學(xué)兼優(yōu)、身心健康、科研執(zhí)行力強(qiáng)、追求高質(zhì)量研究論文、具有良好的團(tuán)隊(duì)合作精神。

  (2)專(zhuān)業(yè)要求:已獲或即將獲得化學(xué)、材料、高分子、物理、能源等相關(guān)學(xué)科的博士學(xué)位,或近期內(nèi)能順利完成博士論文答辯,在高分子材料、碳材料、二次電池、集成器件、傳感、電/光催化、柔性/彈性器件等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表高水平研究論文1篇及以上,良好地掌握本領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)和前沿研究方向。

  (3)年齡要求:博士后博士畢業(yè)不超過(guò)3年;特任副研究員不超過(guò)35歲。


合作方向:

  (1)無(wú)機(jī)納米材料的設(shè)計(jì)、制備及其應(yīng)用;

  (2)無(wú)機(jī)/天然高分子組裝材料的設(shè)計(jì)、制備及其應(yīng)用;

  (3)無(wú)機(jī)-有機(jī)納米組裝材料在電化學(xué)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換(二次電池、能量集成器件、柔性/彈性電子器件)中應(yīng)用及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究;


福利待遇:

  (1)特任副研究員薪資面談;

  (2博士后年薪20-50萬(wàn)元;

  (3)本課題組還將根據(jù)研究貢獻(xiàn)、論文發(fā)表、基金項(xiàng)目等給予可觀的獎(jiǎng)勵(lì)。


  保險(xiǎn)學(xué)校為博士后/特任副研究員辦理社會(huì)保險(xiǎn)(基本養(yǎng)老保險(xiǎn)、失業(yè)保險(xiǎn)、基本醫(yī)療保險(xiǎn)及醫(yī)療救助保險(xiǎn)、工傷保險(xiǎn)、生育保險(xiǎn))和住房公積金。


  住房保障:學(xué)校提供校內(nèi)周轉(zhuǎn)房(兩室?guī)准揖撸,若在校外租房,學(xué)校提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的租房補(bǔ)貼。


  項(xiàng)目申請(qǐng):鼓勵(lì)作為負(fù)責(zé)人申請(qǐng)各類(lèi)博士后科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金及省、市各級(jí)課題。


發(fā)展前景:

  (1)在站期間支持申請(qǐng)博士后國(guó)際聯(lián)合培養(yǎng)計(jì)劃,出站后支持推薦到國(guó)外(京都大學(xué)、南洋理工大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所、伍倫貢大學(xué)、昆士蘭大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院等)知名高校/科研機(jī)構(gòu)知名團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深造。

  (2推薦工作成績(jī)突出者申報(bào)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其他科研機(jī)構(gòu)長(zhǎng)聘教職。


工作條件

  科研經(jīng)費(fèi)和空間充裕,擁有一流的公共科研平臺(tái)、良好的工作環(huán)境。


聯(lián)系方式:

  請(qǐng)將詳細(xì)的個(gè)人簡(jiǎn)歷(包括前期主要研究基礎(chǔ),代表論文清單等)、代表文章、未來(lái)研究興趣(以郵件正文)、1-2位推薦人姓名及聯(lián)系方式(以郵件正文)發(fā)送到陳老師的電子郵箱chenlf@ustc.edu.cn ,郵件標(biāo)題注明:應(yīng)聘職位+研究方向+本人姓名。

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