Célula termoelectroquímica asimétrica para la cosecha de calor de bajo grado bajo operación isotérmica
Summary
El calor de bajo grado es abundante, pero su recuperación eficiente sigue siendo un gran desafío. Reportamos una célula termelectroquímica asimétrica usando óxido de grafeno como cátodo y polianilina como ánodo con KCl como electrolito. Esta célula trabaja bajo calefacción isotérmica, exhibiendo una alta eficiencia de conversión de calor a electricidad en regiones de baja temperatura.
Abstract
El calor de bajo grado está abundantemente disponible en el medio ambiente como calor residual. La conversión eficiente de calor de bajo grado en electricidad es muy difícil. Desarrollamos una célula termelectroquímica asimétrica (aTEC) para la conversión de calor a electricidad bajo operación isotérmica en los procesos de carga y descarga sin explotar el gradiente térmico o el ciclo térmico. El aTEC se compone de un cátodo de óxido de grafeno (GO), un ánodo de polianilina (PANI) y 1M KCl como electrolito. La célula genera una tensión debido a la reacción pseudocapacitiva de GO cuando se calienta de la temperatura ambiente (RT) a una alta temperatura (TH, 40-90 oC), y luego la corriente se produce sucesivamente por pani oxidante cuando se conecta una carga eléctrica externa. El aTEC demuestra un coeficiente de temperatura notable de 4,1 mV/K y una alta eficiencia de conversión de calor a electricidad del 3,32%, trabajando a un TH a 70 oC con una eficiencia Carnot del 25,3%, revelando una nueva tecnología termoelectroquímica prometedora para la recuperación de calor de bajo grado.
Introduction
La energía térmica ubicua de bajo grado (<100 oC) podría reciclarse y convertirse en electricidad1,2, pero en su lugar se desperdicia. Desafortunadamente, la recuperación de calor sigue siendo un gran desafío, porque la conversión de calor de bajo grado a electricidad suele ser ineficiente debido al diferencial de baja temperatura y la naturaleza distribuida de las fuentes de calor3. Durante las últimas décadas se han llevado a cabo intensas investigaciones en materiales y dispositivos termoeléctricos de estado sólido (TE) durante las últimas décadas, pero la aplicación escalable de dispositivos TE en un régimen de calor de bajo grado está limitada por la baja eficiencia de conversión de energía(é E) de <2%4.
Se han sugerido enfoques alternativos basados en el efecto de la temperatura en las células electroquímicas como solución a este problema, ya que el coeficiente iónico Seebeck (o) de las células termelectroquímicas (TEC) es mucho mayor que el de los semiconductores TE5,6. Las células termogalvánicas (TGC) utilizan electrolitos activos redox intercalados entre dos electrodos idénticos para generar un voltaje a través de la célula cuando se aplica un gradiente térmico. Se informó que el electrolito acuoso Fe(CN)63-/Fe(CN)64- en TGCs tenía un valor de -1,4 mV/K y que produce unaE de <1%7,8,9,10,11. Sin embargo, los TGCs sufren el inconveniente de la pobre conductividad iónica del electrolito líquido, que es alrededor de tres órdenes de magnitud menor que la conductividad electrónica en los materiales TE. La conductividad eléctrica podría mejorarse, pero esta mejora siempre va acompañada de una mayor conductividad térmica, lo que conduce a un menor gradiente de temperatura. Por lo tanto, laE de los TGCs es inherentemente limitada debido al equilibrio entre la conductancia del electrolito líquido y el requisito de temperatura para las reacciones redox deseadas en cada lado del electrodo.
Recientemente se informó de un ciclo electroquímico regenerativo térmico (TREC)12,13,14 basado en un sistema de baterías que utiliza un cátodo hexacianoferrato de cobre sólido (CuHCF) y un ánodo Cu/Cu+. TREC se configura como una célula de bolsa para mejorar la conductancia de los electrolitos, mostrando un valor de 1,2 mV/K y alcanzando un alto edel 3,7% (21% decarnot)cuando se opera a 60 oC y 10 oC. Sin embargo, un límite de TREC es que se requiere electricidad externa al inicio del proceso para cargar los electrodos en cada ciclo térmico, dando lugar a complicados diseños de sistemas14. Un TREC sin esta limitación se puede lograr, pero sufre de una eficiencia de conversión pobre de <1%13. El sistema TREC demuestra que una batería secundaria de iones de sodio (SIB) que consiste en dos tipos de análogos azules prusianos (PBA) con diferentes valores de la tecnología de la batería secundaria de iones de sodio (SIB) que consiste en dos tipos de análogos azules prusianos (PBA) con valores de tipo de los diferentes puede cosechar calor residual. La eficiencia térmica aumenta proporcionalmente con la t. Por otra parte, el valor de la cuenta alcanza el 1,08%, el 3,19% a 30 K, 56 K por separado. La ciclabilidad térmica se mejora utilizando Ni sustituido PBA15,16,17,18.
Alternativamente, una batería de amoníaco regenerativa térmicamente (TRAB) emplea parejas redox a base de cobre [Cu(NH3)42+/Cu y Cu(II)/Cu] que funcionan con el gradiente de temperatura inverso cambiando la temperatura de los electrolitos co-operados con electrodos positivos y negativos, que produce unE de 0.53% (13% decarnot). Sin embargo, este sistema está configurado con dos tanques llenos de electrolito líquido, causando un calentamiento y refrigeración lentos. Además, el flujo de amoníaco en el sistema crea preocupaciones con respecto a la seguridad, fugas y estabilidad19,20,21.
Aquí presentamos una célula termelectroquímica asimétrica (aTEC) para la conversión calor-electricidad que puede ser cargada térmicamente y descargada eléctricamente por calentamiento isotérmico continuo sin mantener un gradiente de temperatura en una configuración geométrica o temperaturas de conmutación en un ciclo térmico. El aTEC utiliza electrodos asimétricos, incluyendo un cátodo de óxido de grafeno (GO) y un ánodo de polianilina (PANI), y KCl como electrolito. Se carga térmicamente a través del efecto termopseudocapacitivo de GO y luego se descarga con la reacción de oxidación de PANI. En particular, el aTEC exhibe un alto valor de 4,1 mV/K y alcanza unaE de 3,32%, la más alta jamás alcanzada a 70 oC (25,3% deCarnot).
Protocol
Representative Results
Discussion
El aTEC convierte la energía térmica en electricidad a través de un proceso de carga térmica cuando se calienta de RT a TH y un proceso de descarga eléctrica sucesiva a TH. Deshacerse de la dependencia de un gradiente de temperatura o un ciclo de temperatura como el TGC y TREC, aTEC permite la operación de calentamiento isotérmico durante todo el proceso de carga y descarga. La tensión inducida térmicamente se basa en el efecto pseudocapacitivo de GO porque el calentamiento facilita la quim…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen una discusión constructiva con el Prof. D.Y.C. Leung y el Dr. Y. Chen (Universidad de Hong Kong), prof. M.H.K. Leung (Universidad de la ciudad de Hong Kong), Dr. W. S. Liu (Universidad del Sur de Ciencia y Tecnología), y el Sr. Frank H.T. Leung (Techskill [Asia] Limited). Los autores reconocen el apoyo financiero del Fondo General de Investigación del Consejo de Subvenciones a la Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong, China, bajo el número de premio 17204516 y 17206518, y el Fondo de Innovación y Tecnología (Ref: ITS/171/16FX).
Materials
| Alumina laminated film | Showa Denko | SPALF C4 | |
| Carbon black | Alfa Aesar | H30253.22 | |
| Carbon paper | CeTech Co. Ltd | W0S1009 | |
| Carboxymethyl cellulose (CMC) | Guidechem company | ||
| DC Power supply | B&K Precision | Model 913-B | |
| Doctor blade coater | Shining Energy Co. Ltd | ||
| Gamry | Gamry Instruments | Reference 3000 | |
| Graphite | Sigma-Aldrich | 332461-2.5KG | |
| Mixer | Thinky | ARE-250 | |
| Nickel tab | Tianjin Iversonchem company | 4 mm width | |
| N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) | Sigma-Aldrich | 443778-1L | |
| Polyaniline (leucoemeraldine base) | Sigma-Aldrich | 530670-5G | |
| potassium permanganate (KMnO4) | Sigma-Aldrich | 223468-500G | |
| Separator | CLDP | 25 um thickness | |
| Sodium nitrate (NaNO3) | Sigma-Aldrich | S5506-250G | |
| Styrene butadiene | Tianjin Iversonchem company | BM400 | |
| Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 320501-2.5L | |
| Thermoelectric modules | CUI Inc. | CP455535H | |
| Titanum foil | Qingyuan metal | 0.03 mm thickness |
References
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