Асимметричная термоэлектрохимическая клетка для сбора низкосортного тепла в рамках истермальной операции
Summary
Низкосортная жара в изобилии, но его эффективное восстановление по-прежнему является большой проблемой. Мы сообщаем об асимметричной термоэлектрохимической ячейке, используюй оксид графена в качестве катода и полианилин в качестве анода с KCl в качестве электролита. Эта ячейка работает под изотермическим отоплением, демонстрируя высокую тепло-электроэнергию эффективности преобразования в низкотемпературных регионах.
Abstract
Низкосортное тепло в изобилии доступно в окружающей среде как отходы тепла. Эффективное преобразование низкосортного тепла в электричество очень сложно. Мы разработали асимметричную термоэлектрохимическую ячейку (аТЭК) для преобразования тепла в электричество при изотермальной работе в процессах зарядки и разгрузки без использования теплового градиента или теплового цикла. ATEC состоит из катода оксида графена (GO), полианилинового (PANI) анода и 1М KCl в качестве электролита. Клетка генерирует напряжение из-за псевдокапацитной реакции GO при нагревании от комнатной температуры (RT) до высокой температуры (TH,40-90 градусов по Цельсию), а затем ток последовательно производится путем окисления PANI при подключении внешней электрической нагрузки. ATEC демонстрирует замечательный температурный коэффициент 4,1 мВ/К и высокую эффективность преобразования тепла в электричество 3,32%, работая на TH и 70 c с эффективностью Carnot 25,3%, представляя новую перспективную термоэлектрохимическую технологию для низкосортного восстановления тепла.
Introduction
Повсеместная низкосортная тепловая энергия (Злт;100 кВ) может быть переработана и преобразована в электричество1,2, но вместо этого впустую. К сожалению, восстановление тепла по-прежнему является большой проблемой, потому что преобразование низкосортного тепла в электричество, как правило, неэффективны из-за дифференциала низкой температуры и распределенного характера источников тепла3. Интенсивные исследования проводились в твердотельных термоэлектрических (TE) материалах и устройствах в течение последних десятилетий, но масштабируемоеприменение устройств TE в низкосортном тепловом режиме ограничено низкой эффективностью преобразования энергии(E) из Злт;2%4.
Альтернативные подходы, основанные на воздействии температуры на электрохимические клетки, были предложены в качестве решения этой проблемы, так как ионный коэффициент Seebeck (я) термоэлектрохимических элементов (ТЭЦ) намного выше, чем у полупроводников Т5,6. Термогальванические клетки (ТГК) используют активные электролиты Redox, зажатые между двумя идентичными электродами, для генерации напряжения по всей клетке при применении теплового градиента. Широко используемый aqueous Fe (CN)63-/Fe (CN)64- электролит агт. TGCs, как сообщается, имеет -1,4 мВ/К и даетE из йlt;1%7,8,10,11. Тем не менее, TGCs страдают от недостатка плохой ионной проводимости жидкого электролита, который примерно на три порядка меньше, чем электронная проводимость в материалах TE. Электрическая проводимость может быть улучшена, но это улучшение всегда сопровождается более высокой теплопроводностью, что приводит к более низкому температурному градиенту. Таким образом, E TGCs по своей сути ограничен из-за компромисса между проводлением жидкого электролита и температурным требованием для желаемых реакций redox в каждой стороне электрода.
Недавно сообщалось о термически регенеративном электрохимическом цикле (TREC)12,13,14 на основе аккумуляторной системы с использованием твердого медного гексациаторрата (CuHCF) и анода Cu/Cu. TREC настроен как ячейка мешка для улучшения проводимости электролита, показывая й 1,2 мВ/K и достигая максимумаE 3,7% (21% откарно)при эксплуатации при 60 градусах ИК и 10 кВ. Тем не менее, одним из ограничений TREC является то, что внешняя электроэнергия требуется в начале процесса для зарядки электродов в каждом тепловом цикле, что приводит к сложным конструкциям системы14. TREC без этого ограничения может быть достигнуто, но он страдает от низкой эффективности преобразования lt;1%13. Система TREC показывает, что термоэлемент натрия иионного типа (SIB), состоящий из двух типов прусских синих аналогов (PBA) с различными значениями, может собирать отходы тепла. Тепловая эффективность (к) увеличивается пропорционально с ЗТ. Кроме того, q достигает 1,08%, 3,19% при qT 30 K, 56 K отдельно. Тепловая цикличность улучшается с помощью Ni-заменители PBA15,16,17,18.
Кроме того, термически регенеративной аммиачной батареи (TRAB) использует медь основе redox пары »Cu (NH3)42 “/Cu(II) / Cu” / Cu “, которые работают с реверсивным градиентом температуры путем переключения температуры электролита совместно с положительными и отрицательными электродами, который производит E 0,53% (13% откарона). Однако эта система настроена с двумя резервуарами, полными жидкого электролита, вызывая вялое нагревание и охлаждение. Кроме того, поток аммиака в системе создает проблемы, связанные с безопасностью, утечки и стабильности19,20,21.
Здесь мы представляем асимметричную термоэлектрохимическую ячейку (aTEC) для преобразования тепла в электричество, которая может быть термически заряжена и электрически разряжается непрерывным изотермическим нагреванием без поддержания температурного градиента в геометрической конфигурации или переключения температур в тепловом цикле. ATEC использует асимметричные электроды, включая катод оксида графена (GO) и полианилин (PANI) анод, и KCl в качестве электролита. Он термически заряжается через термо-псевдокапацитивный эффект GO, а затем разряжается с реакцией окисления PANI. Примечательно, что aTEC демонстрирует высокий й 4,1 мВ/К и достигает 3,32%, самого высокого уровня, когда-либо достигнутого на уровне 70 градусов по Цельсию (25,3% от«Карно»).
Protocol
Representative Results
Discussion
ATEC преобразует тепловую энергию в электричество через процесс тепловой зарядки при нагревании от RT до TH и последовательном процессе электрической разгрузки на TH. Как избавиться от зависимости от температурного градиента или температурного цикла, как TGC и TREC, aTEC позволяет и?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают, что конструктивное обсуждение с профессором Д.Я.К. Леунгом и д-ром И. Ченом (Университет Гонконга), профессором М.Х.К. Леунгом (Городской университет Гонконга), д-ром В. С. Лю (южный университет науки и техники) и г-ном Фрэнком Х.Т. Леунгом (Techskill (Asia) Limited). Авторы признают финансовую поддержку Общего исследовательского фонда Совета по исследовательским грантам Специального административного района Гонконга, Китай, в соответствии с премией No 17204516 и 17206518, и Фонда инноваций и технологий (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
- Chu, S., Majumdar, A. Opportunities and Challenges for A Sustainable Energy Future. Nature. 488, 294 (2012).
- Forman, C., Muritala, I. K., Pardemann, R., Meyer, B. Estimating the Global Waste Heat Potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 57, 1568-1579 (2016).
- Gur, I., Sawyer, K., Prasher, R. Searching for A Better Thermal Battery. Science. 335 (6075), 1454-1455 (2012).
- He, R., Schierning, G., Nielsch, K. Thermoelectric Devices: A Review of Devices, Architectures, and Contact Optimization. Advanced Materials Technologies. 3 (4), 1700256 (2018).
- Abraham, T. J., MacFarlane, D. R., Pringle, J. M. High Seebeck Coefficient Redox Ionic Liquid Electrolytes for Thermal Energy Harvesting. Energy & Environmental Science. 6 (9), 2639-2645 (2013).
- Zhang, L., et al. High Power Density Electrochemical Thermocells for Inexpensively Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Advanced Materials. 29 (12), 1605652 (2017).
- Duan, J., et al. Aqueous Thermogalvanic Cells with A High Seebeck Coefficient for Low-Grade Heat Harvest. Nature Communications. 9 (1), 5146 (2018).
- Im, H., et al. High-Efficiency Electrochemical Thermal Energy Harvester Using Carbon Nanotube Aerogel Sheet Electrodes. Nature Communications. 7, 10600 (2016).
- Hu, R., et al. Harvesting Waste Thermal Energy Using A Carbon-Nanotube-Based Thermo-Electrochemical Cell. Nano Letters. 10 (3), 838-846 (2010).
- Poletayev, A. D., McKay, I. S., Chueh, W. C., Majumdar, A. Continuous Electrochemical Heat Engines. Energy and Environmental Science. 11 (10), 2964-2971 (2018).
- Qian, W., Li, M., Chen, L., Zhang, J., Dong, C. Improving Thermo-Electrochemical Cell Performance by Constructing Ag-MgO-CNTs Nanocomposite Electrodes. RSC Advances. 5 (119), 97982-97987 (2015).
- Lee, S. W., et al. An Electrochemical System for Efficiently Harvesting Low-Grade Heat Energy. Nature Communications. 5, 3942 (2014).
- Yang, Y., et al. Charging-Free Electrochemical System for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (48), 17011-17016 (2014).
- Yang, Y., et al. Membrane-Free Battery for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Nano Letters. 14 (11), 6578-6583 (2014).
- Fukuzumi, Y., Amaha, K., Kobayashi, W., Niwa, H., Mortitomo, Y. Prussian Blue Analogues as Promising Thermal Power Generation Materials. Energy Technology. 6 (10), 1865-1870 (2018).
- Shibata, T., Fukuzumi, Y., Kobayashi, W., Moritomo, Y. Thermal Power Generation During Heat Cycle Near Room Temperature. Applied Physics Express. 11 (1), 017101 (2018).
- Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Thermal Efficiency of A Thermocell Made of Prussian Blue Analogues. Scientific Reports. 8 (1), 14784 (2018).
- Takahara, I., Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Improved Thermal Cyclability of Tertiary Battery Made of Prussian Blue Analogues. ChemistrySelect. 4 (29), 8558-8563 (2019).
- Zhang, F., Liu, J., Yang, W., Logan, B. E. A Thermally Regenerative Ammonia-Based Battery for Efficient Harvesting of Low-Grade Thermal Energy as Electrical Power. Energy and Environmental Science. 8 (1), 343-349 (2015).
- Zhu, X., Rahimi, M., Gorski, C. A., Logan, B. A Thermally-Regenerative Ammonia-Based Flow Battery for Electrical Energy Recovery from Waste Heat. ChemSusChem. 9 (8), 873-879 (2016).
- Zhang, F., LaBarge, N., Yang, W., Liu, J., Logan, B. E. Enhancing Low-Grade Thermal Energy Recovery in a Thermally Regenerative Ammonia Battery Using Elevated Temperatures. ChemSusChem. 8 (6), 1043-1048 (2015).
