准固态离子型热电转换材料、热电转换器件及其应用
阅读说明：本技术 准固态离子型热电转换材料、热电转换器件及其应用 (Quasi-solid-state ionic thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion device and application thereof ) 是由 刘玮书 韩成功 李其锴 邓彪 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种准固态离子型热电材料,其包括胶凝基体材料、水溶性金属盐、氧化/还原电对和水,其中胶凝基体材料、水溶性金属盐、氧化/还原电对分布在水中。本申请还涉及包括该热电转换材料的热电转换器件、包括该热电转换器件的温差发电装置及包括该温差发电装置的可穿戴装备。本发明的准固态离子型热电材料通过热扩散(Soret)效应和热电化学(thermogalvanic)效应的双效应协同作用,可以从周围环境中获得高的热电势,制作方法简单方便、成本低廉,非常适合制备柔性离子型热电转换器件、柔性温差发电装置和柔性可穿戴装备,在物联网及柔性可穿戴领域将具有巨大的应用前景。(The application relates to a quasi-solid ionic thermoelectric material, which comprises a gelling matrix material, a water-soluble metal salt, an oxidation/reduction couple and water, wherein the gelling matrix material, the water-soluble metal salt and the oxidation/reduction couple are distributed in the water. The present application also relates to a thermoelectric conversion device including the thermoelectric conversion material, a thermoelectric generation device including the thermoelectric conversion device, and wearable equipment including the thermoelectric generation device. The quasi-solid ionic thermoelectric material can obtain high thermoelectric force from the surrounding environment through the synergistic effect of the double effects of the thermal diffusion (Soret) effect and the thermo-electrochemical (thermogalvanic) effect, has simple and convenient manufacturing method and low cost, is very suitable for preparing a flexible ionic thermoelectric conversion device, a flexible temperature difference power generation device and flexible wearable equipment, and has huge application prospect in the fields of Internet of things and flexible wearable equipment.)
技术领域
本发明属于新型热电材料和热电转换器件技术领域，具体涉及一种准固态离子型热电转换材料及其制备方法和应用，该应用涵盖包括该热电转换材料的热电转换器件、包括该热电转换器件的温差发电装置及包括该温差发电装置的可穿戴装备。
背景技术
随着物联网技术的飞速发展和基于我国提出的建设智慧城市的需求，越来越多的传感器或电子设备应用于物联网体系中并起着越来越重要的作用。为了有效地保证大量分散的传感器或电子设备能够自主独立地持续工作，这些传感器或电子设备从周围环境捕获能量以便持续供电的自支撑能源技术是一项关键的技术并成为研究的热点。热电转换材料和热电转换器件可以实现热能与电能之间的直接相互转换，具有易于小型化和柔性化、无噪声无排放、安全可靠等优点，非常适合于物联网体系中应用的小型传感器或电子设备。
基于电子迁移型半导体热电转换材料的热电转换器件是将热能转换为电能的典型代表，其在温差存在下利用塞贝克(Seebeck)效应，通过电子的定向迁移将热能转化为电能。目前，所采用和研究的热电转换材料在室温环境下捕获能量，可以达到mW量级的输出功率供物联网中的传感器工作，但是因受到半导体电声输运行为的影响，热电势值很难突破±200μV/K。这意味着，如果要获得1至3V之间的供传感器正常工作的电压，就需要将成千上万对n/p热电对串联[1]，大大增加了器件的复杂度和集成度，或者需要通过外升压芯片来提高电压[2]，结果反而增加了功耗，提高了成本。
基于离子迁移的热电转换材料在实现低品位废热能向电能的转换方面具有独特的优势。这种离子型热电转换材料[3]利用电解液中的氧化/还原电对，在温差形成的温度梯度下连续不断地将环境热能转换为电能，而不会释放有毒有害气体，其产生的热电势在mV/K量级。因此，较之电子迁移型半导体热电转换器件的高昂原材料和μV/K量级的热电势，离子型热电转换材料更有优势，有望在100℃以下的温度范围内取代传统固态半导体热电器件，获得更广的应用空间。
目前所研究的液态离子型热电材料利用氧化/还原电对，采用热电化学(thermogalvanic)效应获得的热电势只有几个mV/K，同时还存在一系列问题，例如(1)漏液问题，严重影响实际应用；(2)溶液中存在的对流现象阻碍器件内部热传递，不利于温差的建立等缺点[4-7]。最近，X.Crispin[8]组利用Soret效应在含Na+离子的聚环氧乙烷电解液中获得了+11mV/K的p型热电势，L.Hu组[9]利用Soret效应在含Na+的聚环氧乙烷电解液浸润的纤维素膜中获得了+24mV/K的p型热电势。但是目前仍然缺乏可以与其热电势相匹配的n型离子型热电材料。
发明内容
为了克服液态离子型热电材料存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种准固态离子型热电转换材料，该材料能通过热扩散(Soret)效应和热电化学(thermogalvanic)效应的双效应协同作用获得高的热电势，为采用该材料的热电转换器件在柔性可穿戴及物联网领域的应用提供了可能性。
因此，在一个方面，本发明提供一种准固态离子型热电材料，该准固态离子型热电材料包括胶凝基体材料、水溶性金属盐、氧化/还原电对和水，其中胶凝基体材料、水溶性金属盐、氧化/还原电对分布在水中。
该准固态离子型热电材料中的胶凝基体材料可以为任何在水中溶解后发生胶凝化的高分子材料。胶凝基体材料为准固态离子型热电材料的基质，用于承载碱金属或碱土金属盐添加剂和氧化/还原电对。在本发明的具体实施方案中，胶凝基体材料可以例如为明胶、聚乙烯醇、壳聚糖、聚丙烯酸或丙烯酰胺或者类似物。
该准固态离子型热电材料中的水溶性金属盐在该准固态离子型热电材料中解离为金属阳离子和反荷阴离子，在该准固态离子型热电材料中发挥Soret效应的作用。在本发明的具体实施方案中，水溶性金属盐为碱金属或碱土金属盐。在本发明的优选实施方案中，碱金属或碱土金属盐为碱金属或碱土金属卤化物，或者碱金属或碱土金属硝酸盐，或者碱金属或碱土金属硫酸盐。在本发明的更优选实施方案中，碱金属或碱土金属卤化物为KCl、KBr、KI、NaCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2，碱金属或碱土金属硝酸盐为KNO3、NaNO3、LiNO3、Mg(NO3)2、Cu(NO3)2、Co(NO3)2或Mn(NO3)2，碱金属或碱土金属硫酸盐为K2SO4、Na2SO4、CoSO4或MnSO4。
该准固态离子型热电材料中的氧化/还原电对在该准固态离子型热电材料中发挥热电化学(thermogalvanic)效应的作用。在本发明的具体实施方案中，氧化/还原电对为铁氰化钾/亚铁氰化钾。
在本发明的具体实施方案中，该准固态离子型热电材料中的水为去离子水或蒸馏水。
在本发明的具体实施方案中，按该准固态离子型热电材料的体积计，该胶凝基体材料的含量在0.01-1g/ml的范围内，例如为0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1g/ml；该碱金属或碱土金属盐添加剂的含量在0.001-5mol/L的范围内，例如为0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4或5mol/L；该氧化/还原电对的含量在0.001/0.001-0.8/0.8mol/L的范围内，并且该氧化/还原电对的比例可以是等比例的或者非等比例的，优选为非等比例的，例如该氧化/还原电对的比例为0.001/0.001、0.03/0.05、0.06/0.1、0.2/0.2、0.18/0.3、0.25/0.42、0.5/0.5、0.36/0.6、0.7/0.7或0.8/0.8mol/L。在本发明的优选实施方案中，按该准固态离子型热电材料的体积计，该胶凝基体材料的含量在0.1-0.5g/ml的范围内，该碱金属或碱土金属盐添加剂的含量在0.1-3mol/L的范围内，该氧化/还原电对的含量在0.1/0.1-0.5/0.5mol/L的范围内。
本发明的准固态离子型热电材料可以通过如下的方法制备：
(1)将适量的胶凝基体材料、碱金属或碱土金属盐添加剂和氧化/还原电对加入到适量的水(例如去离子水)中，使胶凝基体材料、碱金属或碱土金属盐添加剂和氧化/还原电对在所得混合物中的含量分别在所指定的含量范围内；
(2)将所得混合物在室温至95℃的温度下在400-500rpm的搅拌速度下搅拌0.5-24小时形成凝胶，冷却后制得准固态离子型热电材料。
经测定，本发明的准固态离子型热电材料的热电势可为0至-20mV/K。
在第二方面，本发明提供一种离子型热电转换器件，该离子型热电转换器件包括电极材料以及本发明第一方面的准固态离子型热电材料，其中该准固态离子型热电材料位于电极材料之间并与电极材料接触。在本发明的具体实施方案中，电极材料为铜箔、铝箔或碳箔电极片。在本发明的具体实施方案中，该离子型热电转换器件可以用聚乙烯膜、聚丙烯膜或铝塑膜进行封装。在本发明的具体实施方案中，该离子型热电转换器件可以为热电化学单元的形式。
本发明的离子型热电转换器件可以采用以下方法制备：将制得的准固态离子型热电材料在空气气氛下涂覆在一片电极片上，然后用另一片电极片覆盖在涂层上，构成三明治结构，最后进行封装，组装成离子型热电转换器件。
在第三方面，本发明提供一种温差发电装置，该温差发电装置包括本发明第二方面的离子型热电转换器件。根据需要，该温差发电装置可以包括一个或多个本发明第二方面的离子型热电转换器件，例如1-100个离子型热电转换器件串联构成。
经测定，该温差发电装置利用人体温差回收电能可获得0至3V的电压。
在第四方面，本发明提供一种可穿戴装备，该可穿戴装备包括本发明第三方面的温差发电装置和与其并联的穿戴基材。穿戴基材可以例如为手套、帽子、上衣、内衣、裤子、鞋子、袜子、手环、耳环、项链等。
本发明的有益效果：
1.本发明的准固态离子型热电材料通过热扩散(Soret)效应和热电化学(thermogalvanic)效应的双效应协同作用，可以从周围环境中获得高的热电势，比传统半导体热电材料高出2个数量级，可操作性强，无噪音无排放，对环境友好。
2.本发明的准固态离子型热电材料所用的原料胶凝基体材料、碱金属或碱土金属盐添加剂和氧化/还原电对容易获得，成本低廉，可通过调整基体材料、添加剂种类和浓度及氧化/还原电对的浓度，用搅拌混合方法进行制备，简单方便。
3.本发明的准固态离子型热电材料由于是准固态的胶凝材料，不存在漏液问题，也大大减少了内部溶液对流现象，利于温差的建立。
4.本发明的准固态离子型热电材料可以方便地涂覆于铜箔、铝箔、碳箔等电极片上，构成三明治结构，然后进行封装组装成离子型热电转换器件。
5.本发明的准固态离子型热电材料为柔性凝胶材料，非常适合于制备柔性离子型热电转换器件、柔性温差发电装置和柔性可穿戴装备。
6.本发明的离子型热电转换器件可以用于制作温差发电器件，并可应用于可穿戴设备，利用人体温差回收的高电压，在物联网及柔性可穿戴领域将具有巨大的应用前景。
附图说明
图1为本发明准固态离子型热电材料通过热扩散(Soret)效应和热电化学(thermogalvanic)效应双效应协同获得高的热电势的理论示意图；
图2为包括本发明准固态离子型热电材料和电极片的本发明离子型热电转换器件的代表性柔性实物图；
图3为本发明实施例的离子型热电转换器件利用温差发电的开路电压示意图；
图4为本发明应用例的可穿戴设备利用人体温差发电的开路电压示意图，该可穿戴设备由多个本发明离子型热电转换器件集成在一起所构成的本发明温差发电器件布置在手套上而制成。
具体实施方式
下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的准固态离子型热电材料通过热扩散(Soret)效应和热电化学(thermogalvanic)效应的双效应协同作用从周围环境中获得高的热电势。具体地，将包含胶凝基体材料、阴阳离子(由可溶性金属盐形成)和氧化/还原电对(如铁氰化钾/亚铁氰化钾)的准固态离子型热电材料夹在电极片之间制成离子型热电转换器件，使该离子型热电转换器件的一个电极片处于温度较高的热端，另一个电极片处于温度较低的冷端。如图1的左边小图所示，本发明的准固态离子型热电材料中阳离子主要被带阴离子的胶凝基体材料所束缚，而阴离子在温度场存在下向冷端电极片迁移并聚集形成双电层结构，从而在两个电极片之间形成热电势，此为Soret效应。如图1的中间小图所示，由于本发明的准固态离子型热电材料中氧化/还原电对的存在，在热端发生氧化反应Fe(CN)6 4--e→Fe(CN)6 3-，释放电子在热端电极片聚集，通过外电路连接，电子回到冷端，在冷端电极片附近发生还原反应Fe(CN)6 3-+e→Fe(CN)6 4-，氧化产物和还原产物在对流扩散作用下回到对电极。由此在两个电极片之间形成热电势，此为热电化学(thermogalvanic)效应。如图1的右边小图所示，本发明的准固态离子型热电材料通过Soret效应和热电化学(thermogalvanic)效应的协同作用，可以在两个电极片之间产生高的热电势。
本发明的准固态离子型热电材料可以用于制作离子型热电转换器件。由于本发明的准固态离子型热电材料以柔性胶凝基体材料为基质，用柔性电极片和本发明的准固态离子型热电材料可以制作出非常柔软的离子型热电转换器件。图2显示了包括本发明准固态离子型热电材料和柔性电极片的离子型热电转换器件的代表性柔性实物图。图2所示的示例性的离子型热电转换器件制成大约4cm的长度，并且非常柔软，可以卷曲套在手指上。这显示了本发明的准固态离子型热电材料和离子型热电转换器件在可穿戴领域和物联网领域的潜在应用前景。利用本发明的离子型热电转换器件可以进一步制作柔性温差发电装置和柔性可穿戴装备，实现在可穿戴领域和物联网领域中的产品开发与应用。
以下通过非限制性的具体实施例对本发明作进一步的举例说明。
实施例1
称取1g聚乙烯醇(终浓度0.1g/ml)、0.3728g氯化钾(终浓度0.5mol/L)、0.1975g铁氰化钾(终浓度0.06mol/L)和0.4224g亚铁氰化钾(终浓度0.1mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的铜箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的铜箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用聚乙烯膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-1.6mV/K。
实施例2
称取4g壳聚糖(终浓度0.4g/ml)、0.07455g氯化钾(终浓度0.1mol/L)、0.3292g铁氰化钾(终浓度0.1mol/L)和0.8448g亚铁氰化钾(终浓度0.2mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的铜箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的铜箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用聚乙烯膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-3.0mV/K。
实施例3
称取2g聚丙烯酸(终浓度0.2g/ml)、0.1491g氯化钾(终浓度0.2mol/L)、0.6585g铁氰化钾(终浓度0.2mol/L)和1.2673g亚铁氰化钾(终浓度0.3mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的铜箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的铜箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用聚乙烯膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-2.2mV/K。
实施例4
称取1g丙烯酰胺(终浓度0.1g/ml)、0.5964g氯化钾(终浓度0.8mol/L)、0.3292g铁氰化钾(终浓度0.1mol/L)和0.4224g亚铁氰化钾(终浓度0.1mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的铝箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的铝箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用聚丙烯膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-4.0mV/K。
实施例5
称取0.1g明胶(终浓度0.01g/ml)、0.0007g氯化钾(终浓度0.001mol/L)、0.0033g铁氰化钾(终浓度0.001mol/L)和0.0084g亚铁氰化钾(终浓度0.002mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的铝箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的铝箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用聚丙烯膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-5.4mV/K。
实施例6
称取0.5g明胶(终浓度0.05g/ml)、0.0074g氯化钾(终浓度0.01mol/L)、0.0329g铁氰化钾(终浓度0.01mol/L)和0.0845g亚铁氰化钾(终浓度0.02mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的铝箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的铝箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用聚丙烯膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-6.7mV/K。
实施例7
称取1g明胶(终浓度0.1g/ml)、0.0746g氯化钾(终浓度0.1mol/L)、2.6339g铁氰化钾(终浓度0.8mol/L)和3.3794g亚铁氰化钾(终浓度0.8mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的碳箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的碳箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用铝塑膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-4.8mV/K。
实施例8
称取3g明胶(终浓度0.3g/ml)、0.8946g氯化钾(终浓度1.2mol/L)、0.7902g铁氰化钾(终浓度0.25mol/L)和1.7742g亚铁氰化钾(终浓度0.42mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的碳箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的碳箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用铝塑膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-17.0mV/K。
实施例9
称取10g明胶(终浓度1g/ml)、3.7275g氯化钾(终浓度5mol/L)、0.1975g铁氰化钾(终浓度0.06mol/L)和0.4224g亚铁氰化钾(终浓度0.1mol/L)，加入大约5ml去离子水中。将混合物在60℃的温度下在500rpm的搅拌速度下磁力搅拌5小时，使混合物充分混合。然后再加入去离子水定容至10ml体积，继续均匀搅拌直至凝胶化，冷却后制得本实施例的准固态离子型热电材料。
将制得的凝胶态离子型热电材料涂覆在一片1.5cm×1.5cm见方的碳箔电极片上，涂层厚度约为2mm。然后再用另一片同样的碳箔电极片覆盖在涂层上，构成电极片-准固态离子型热电材料-电极片的三明治结构。最后，用铝塑膜进行封装，组装成离子型热电转换器件。
如图3所示，本实施例的离子型热电转换器件的开路电压与温差存在对应关系，线性拟合后的斜率对应热电势值，所得热电势值为-9.5mV/K。
应用例
以上实施例1-9的离子型热电转换器件的热电势值在-1.6至-17.0mV/K之间，而如上文“背景技术”部分所述，传统半导体热电转换材料的热电势值很难突破±0.2mV/K。因此，本发明的离子型热电转换器件可以从周围环境中获得高的热电势，比传统半导体热电材料高出2个数量级，能比肩X.Crispin组[8]和L.Hu组[9]获得的p型热电势，表明其在温差发电中的良好应用前景。
本应用例以实施例8制作的热电化学电池制作温差发电器件和可穿戴设备。如图4所示，将25个按实施例8制作的热电转换单元用导电铜胶带依次串联，制作成温差发电器件。将该温差发电器件用透明胶带紧密粘贴在手背对应的部分上，即制作成柔性可穿戴温差发电设备。
图4还显示了所制成的可穿戴设备利用人体温差发电的开路电压示意图。如图所示，将该柔性可穿戴温差发电设备戴在手上后，由于手的皮肤温度的加热作用，其中的温差发电器件靠近手皮肤的一侧的温度(T皮肤)将高于该温差发电器件靠近环境空气的一侧的温度(T环境)，从而在温差发电器件的两侧形成温度差，通过温差发电器件中的准固态离子型热电材料的Soret效应和热电化学(thermogalvanic)效应，即产生电压。电压随着时间的推移逐渐提高，在16分钟时ΔV达到2.15V。也即，本应用例中仅有25个热电转换单元构成温差发电器件，即可实现2.15V的热电压。
这意味着，使用基于本发明准固态离子型热电材料的热电转换器件，只需要十几个、至多几十个这样的热电转换器件即可满足通常的传感器1至3V之间的工作电压的需要，可以减少器件的复杂度和集成度。相比之下，如上文“背景技术”部分所述，使用基于电子迁移型半导体热电转换材料的热电转换器件，将需要成千上万对n/p热电对串联才能实现1至3V之间的工作电压，大大增加了器件的复杂度和集成度。因此，用本发明的准固态离子型热电材料制作的热电转换器件、温差发电器件和可穿戴设备将在物联网技术领域和可穿戴技术领域具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]Mu,E.et al.A novel self-powering ultrathin TEG device based onmicro/nano emitter for radiative cooling.Nano Energy 55,494-500(2019).
[2]Iezzi,B.,Ankireddy,K.,Twiddy,J.,Losego,M.D.,Jur,J.S.Printed,metallic thermoelectric generators integrated with pipe insu lation forpowering wireless sensors.Appl.Energy 208,758-765(2017).
[3]R.Zito,AIAA J.1,2133-2138(1963)
[4]T.J.Abraham,D.R.MacFarlane,J.M.Pringle,Energy Environ.Sci.6,2639-2645(2013).
[5]M.S.Romano et al.,Adv.Mater.25,6602-6606(2013).
[6]H.Im et al.,Nat.Commun.7,10600(2016).
[7]J.Duan et al.,Nat.Commun.9,5146(2018).
[8]D.Zhao et al.,Energy Environ.Sci.9,1450-1457(2016).
[9]T.Li et al.,Nat.Mater.18,608-613(2019).
以上应用了具体实例对本发明进行了阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员依据本发明的构思，还可以做出若干简单推演、变形或替换。这些推演、变形或替换方案也落入本发明的权利要求范围内。
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