現(xiàn)有的熱電池模仿生物體的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，為可穿戴設(shè)備提供持續(xù)發(fā)電的可能性。但其可用性、壽命和可擴(kuò)展應(yīng)用目前受機(jī)械性能差的限制，尤其是長(zhǎng)期抗疲勞性。

在此，東華大學(xué)武培怡教授等人受天然肌肉結(jié)構(gòu)-特性相關(guān)性的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種抗疲勞和高導(dǎo)電的準(zhǔn)固體熱電池來(lái)模擬天然肌肉中的分層原纖維和排列的納米通道。首先，通過(guò)凍融法制備物理交聯(lián)的各向同性聚乙烯醇（PVA）水凝膠，之后熱電離子如亞鐵/鐵氰化物（[Fe(CN)₆^4- /Fe(CN)₆^3-]) 離子通過(guò)溶劑交換滲透到水凝膠中。

同時(shí)，各向同性的PVA水凝膠被機(jī)械拉伸器循環(huán)拉伸，模仿自然肌肉的機(jī)械訓(xùn)練。當(dāng)機(jī)械訓(xùn)練的預(yù)應(yīng)變從0% 增加到150% 時(shí)，楊氏模量和斷裂功急劇增加。同時(shí)，拉伸性的下降可以忽略不計(jì)。經(jīng)過(guò)合理的機(jī)械訓(xùn)練，熱電池中的聚合物網(wǎng)絡(luò)會(huì)自重組并模仿自然肌肉中的層次結(jié)構(gòu)。

圖1. 熱電池增強(qiáng)的仿生機(jī)械性能

研究表明，最初機(jī)械性能較差的熱電池可通過(guò)上述自重組過(guò)程，在不影響熱電功率密度的情況下顯著改善其長(zhǎng)期機(jī)械性能。相對(duì)而言，拉伸性、韌性和疲勞閾值≈470%、17900 J m^-2和2500 J m^-2，甚至高于天然肌肉。與現(xiàn)有的具有無(wú)序納米網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)固體熱電池相比，離子電導(dǎo)率增加了約5倍，這可能是由于對(duì)齊的納米通道對(duì)離子傳輸?shù)呢暙I(xiàn)。此外，功率密度甚至可與最先進(jìn)的準(zhǔn)固體熱電池相媲美。

進(jìn)一步，該熱電池可以大規(guī)模生產(chǎn)和組裝大型陣列，輸出電壓超過(guò)數(shù)百毫伏，具有完美的機(jī)械適應(yīng)性。這項(xiàng)工作證明了通過(guò)設(shè)計(jì)能量收集和轉(zhuǎn)換材料的分層架構(gòu)同時(shí)提高機(jī)械性能和輸出功率的可行性，生物啟發(fā)的見(jiàn)解也可能促進(jìn)電源的發(fā)展，以提供持續(xù)、方便和舒適的人機(jī)交互體驗(yàn)。

圖2. 人工熱電池和天然電池中能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的示意圖和性能比較

Anti-Fatigue and Highly Conductive Thermocells for Continuous Electricity Generation, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202201021