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  熱電材料具有將熱能轉化為電能的特性，為解決全球能源危機提供了一個可行的方向，有望成為新形態環保能源。其中，傳統的電子型熱電（eTEs）體系已在過去數十年間快速發展，以小規模的發電和制冷器件展現出其應用潛力。近年來，離子型熱電（iTEs）材料由于具有極高的熱電勢而受到廣泛關注。基于 Soret 效應，材料的離子熱電性質取決于電解質中的離子熱擴散，因此具有與電子型熱電材料截然不同的運作機理和電性能，適用的器件結構與應用場景也與傳統的熱電裝置有明顯的差異。

一、有機離子型熱電與電子型熱電對比

二、有機離子熱電材料

1）電解質
  離子熱電體系剛開始發展時主要以純聚合物體系為主，例如聚(4-苯乙烯磺酸鈉)（PSSNa）、聚乙烯醇（PVA）等。這類體系輸出的熱電勢一般在10 mV K^-1以下，電導率介于0.1-10 S cm^-1之間。今年來發展較多的時聚合物/離子液體復合材料，常見且性能較好的有聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯) /1-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺酰基)亞胺（PVDF-HFP/EMIM-TFSI）和聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯) /1-乙基-3-甲基咪唑二氨腈 （PVDF-HFP/EMIM-DCA）體系，通過引入添加劑或加入反溶劑等方法，這類體系n型材料熱電勢可以達到-15 mV K^-1，p型材料熱電勢則可以達到40 mV K^-1以上。然而，這種聚合物/離子液體復合材料的電導率比純聚合物材料低，一般在10^-2 ~ 10^-3 S cm^-1以下。

3）電極材料
  電極材料的選擇也是影響離子熱電電容器性能的重要因素之一。基本的原則是導電性及電化學穩定性好，例如金、銀電極。此外，石墨或碳納米管由于表面積大，可以有效提高器件的的電容量，也是良好的電極材料。

三、性能優化策略

1）功率因數優化
  與電子型熱電相同，離子型熱電材料或器件的性能也是由熱電優值定義（zΤ_i=α²σ_iΤ/λ，其中T為絕對溫度，α為離子塞貝克系數，σ_i和λ分別為為離子電導率和熱導率）。離子熱電材料一般具有本征相當低的熱導率，因此大多數研究都主要關注功率因數（PF=α²σ_i）的優化。優化功率因數的方法主要有引入離子型添加劑、提高復合體系離子液體濃度或在制備過程中加入反溶劑等。值得注意的是，提高環境濕度也可以有效提高離子熱電材料的功率因數，然而過高的濕度也會導致人體不適，在應用方面較為不實際。

2）p-n型轉換
  由于熱電器件需要結合p型和n型材料以獲得更高的輸出，現階段n型離子熱電材料的缺乏也是亟待解決的問題。上節提及利用添加劑改變主要載流子是目前最普遍的p-n型轉換手段，除此之外，針對個別材料也有幾種方法可以實現p-n型轉換，例如調控水/ 1-乙基-3-甲基咪唑乙酸酯（EMIM-Ac）體系中水的含量改變了陰、陽離子與電極界面的作用力強度，使陰離子成為主要載流子，實現p型到n型的轉換。

四、結論與展望

  離子型熱電體系自2015年首次有相關研究開始，至今p型材料的離子塞貝克系數已提高約4倍，最高可以達到50 mV K^?1以上；n型材料由于稀缺而發展較慢，目前離子塞貝克系數最高可達?15 mV K^?1。這樣的高熱電勢是傳統電子型熱電材料的數百倍，為熱電領域的開辟了新的發展方向及更多元的應用場景。然而，離子型熱電過低的電導率導致的低器件效率仍有待解決，未來的研究工作除了關注熱電勢的突破，也應更加重視電導率的優化。

  鑒于離子型熱電和電子型熱電具有各自優異的熱電勢和高電導率的優點，結合這兩種體系的復合器件似乎是適合高需求應用的前瞻性提議。但是由于離子型熱電和電子型熱電的運作機理有明顯的差異，使得這種整合在現階段仍難以實現。然而，近日已有研究結合了離子熱電的離子熱擴散和氧化還原電對的Thermogalvanics (TG) 效應，展示了離子型熱電在未來工作中與其他技術開發復合體系的可?性。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202202507

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