低品位热能（<100 ℃）广泛存在于自然环境和工业生产过程中，包括环境热（太阳光热、地热）、工业废热以及人体热等，但由于缺乏经济高效的能源回收技术，该部分能量基本被废弃。水系热化学电池被认为是一种低成本、易放大的热电转换技术。水系热化学电池相对卡诺循环效率与塞贝克系数、热导率以及电导率三个参数紧密关联。例如，增大塞贝克系数、提高电导率或降低热导率均可提升电池转化效率。然而，这三个参数之间强耦合，难以实现协同优化，使得热化学电池效率的提升存在巨大挑战。

华中科技大学武汉光电国家研究中心周军教授团队在该研究领域走在国际前沿，团队具有深厚的研究基础：以K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆水系热化学电池基准体系作为研究对象，通过特异性配体协同调控氧化还原对溶剂化结构，获得了热化学电池领域最高塞贝克系数4.2 mV/ K（该工作曾发表于Nat. Commun. 2018, 9, 5146）。

在此工作基础上，周军教授团队又提出利用热敏性晶体材料诱导可持续离子浓度梯度的科学思想，实现了塞贝克系数和有效热导率的协同优化，获得了当前热化学电池领域最高相对卡诺循环效率11.1%。（该工作发表于Science, 2020, 370, 342-346）

基于周军教授团队深入的研究，该团队近日又在Joule发表Perspective论文，对液态热化学电池面临的机遇和挑战进行了展望。

在这篇Perspective论文中，作者总结了热化学电池在电极、电解质和器件方面的研究进展。然后，重点强调了该领域关键的挑战，并确定了未来的研究方向，以更高成本效益的热电池，具有更高的稳定性，更简单的制造，并在低级别热收集、温度检测、冷却等方面获得更广泛的应用。

图1 低品位热源及其通过液态热电池潜在的热电转换

图2 提高热电池转换效率的研究概述

基于电化学热电效应，液态热电池通过两个关键过程将热转化为电:(1)电极上的氧化还原反应和(2)电解质中的质量传输。图2B 展示了通过改进反应热力学来提高S_e的策略，图2c 展示了通过改进反应动力学来提高δ_eff的策略。图2D 展示了通过抑制热对流来降低k_eff的策略。

图3 两种提高热力发电的策略

图3A展示了通过引入特定添加剂增强氧化还原电对之间溶剂化结构的熵差。图3B 展示了通过引入热敏受体诱导氧化还原物种浓度梯度。

图4 两种典型的设备集成方法

在设备集成与应用方面，由于单个电池的电压输出受到热功率和温差的限制，在实际应用中需要将多个电池串联起来产生有用的电压(>1 V)。如图4所示，有两种集成方法:一种是串联单电池的z形连接；另外一种是p型和n型单电池串联的П型连接。

此外，器件集成还面临着漏液的挑战，柔性热电池的漏液问题更为严重。为此，无泄漏的基于凝胶的人体热量收集装置被提出。在应用方面，目前的研究表明，热电池不仅可以独立采集热量，还可以与其他系统集成，实现协同增强效果。

随着对低级别热能收集的需求日益增长，液态热电池因其潜在的成本效益、灵活性和可直接将热转化为电能的可扩展性而获得越来越多的研究关注。

尽管在电解液、电极、热障和器件模块的优化方面取得了重大进展，但液态热电池的许多关键挑战和未来的研究方向仍需仔细考虑。最后作者从四个方面进行了详细的展望：

（1）不断提高单电池效率；

（2）提高集成器件的功率输出和稳定性；

（3）规范性能评估标准（通过指标比较各种热化学电池的性能时，需要列出详细的测试条件(至少包括温度和设备尺寸)。在今后的研究中，必须共同努力建立标准化的性能评价标准，这对整个热化学电池领域的发展具有重要意义）；

（4）拓展热化学电池器件的应用领域。

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