Asymmetrisk termoelektrokemisk celle til høst af varme af lav kvalitet under Isothermal Operation
Summary
Lav-grade varme er rigeligt, men dens effektive opsving er stadig en stor udfordring. Vi rapporterer en asymmetrisk termoelektrokemisk celle ved hjælp af grafenoxid som katode og polyanilin som en anode med KCl som elektrolyt. Denne celle arbejder under isothermal opvarmning, udviser en høj varme-til-el konvertering effektivitet i lav temperatur regioner.
Abstract
Lav kvalitet varme er rigeligt tilgængelige i miljøet som spildvarme. En effektiv omdannelse af lav-grade varme til elektricitet er meget vanskeligt. Vi udviklede en asymmetrisk termoelektrokemisk celle (aTEC) til varme-til-elektricitet konvertering under isothermal drift i opladnings- og afladningsprocesserne uden at udnytte den termiske gradient eller den termiske cyklus. ATEC består af en grafenoxid (GO) katode, en polyanilin (PANI) anode og 1M KCl som elektrolyt. Cellen genererer en spænding på grund af GO’s pseudokapactive reaktion ved opvarmning fra stuetemperatur (RT) til en høj temperatur (TH, ~40-90 °C), og strømmen produceres derefter successivt ved at oxidere PANI, når en ekstern elektrisk belastning er tilsluttet. ATEC viser en bemærkelsesværdig temperaturkoefficient på 4,1 mV/K og en høj varme-til-el konverteringseffektivitet på 3,32%, der arbejder på en TH = 70 °C med en Carnot effektivitet på 25,3%, afslører en ny lovende termoelektrokemisk teknologi til lav kvalitet varmeopsving.
Introduction
Allestedsnærværende lav-grade varmeenergi (<100 °C) kunne genbruges og omdannes til elektricitet1,2, men er i stedet spildt. Desværre er varmegenvinding stadig en stor udfordring, fordi konvertering af lav-grade varme til elektricitet er normalt ineffektiv på grund af den lave temperatur forskel og den distribuerede karakter af varmekilder3. Intensiv forskning er blevet udført i solid-state termoelektriske (TE) materialer og enheder i de seneste årtier, men den skalerbare anvendelse af TE-enheder i en lav kvalitet varme regime er begrænset af den lave energieffektivitet(ηE)af <2%4.
Alternative tilgange baseret på temperaturens indvirkning på elektrokemiske celler er blevet foreslået som en løsning på dette problem, fordi den ioniske Seebeck-koefficient (α) af termoelektrokemiske celler (TeC’er) er meget højere end TE-halvlederes5,6. Termogalvaniske celler (TGC) udnytte redox aktive elektrolytter klemt inde mellem to identiske elektroder til at generere en spænding på tværs af cellen, når en termisk gradient anvendes. Den almindeligt anvendte vandigfe (CN)63-/Fe(CN)64- elektrolyt i TGC’er blev rapporteret at have en α på -1,4 mV/K og give enη E af <1%7,8,9,10,11. Tac’erne lider imidlertid under den dårlige ioniske ledningsevne af den flydende elektrolyt, som er omkring tre størrelsesordener mindre end den elektroniske ledningsevne i TE materialer. Den elektriske ledningsevne kunne forbedres, men denne forbedring er altid ledsaget af en højere varmeledningsevne, hvilket fører til en lavere temperaturgradient. Tac’ernes ηE er derfor i sagens natur begrænset på grund af afvejningen mellem den flydende elektrolytledning og temperaturkravet for de ønskede redox-reaktioner i hver side af elektroden.
En termisk regenerativ elektrokemisk cyklus (TREC)12,13,14 baseret på et batterisystem ved hjælp af en solid kobber hexacyanoferrate (CuHCF) katode og en Cu / Cu+ anode blev for nylig rapporteret. TREC er konfigureret som en posecelle til at forbedre elektrolytledningen, der viser en α på −1,2 mV/K og når en høj ηE på 3,7 % (21 % af ηcarnot)ved hjælp af 60 °C og 10 °C. Ikke desto mindre er en grænse for TREC, at ekstern elektricitet er nødvendig i starten af processen for at oplade elektroderne i hver termisk cyklus, hvilket fører til komplicerede systemdesign14. En TREC uden denne begrænsning kan opnås, men det lider under en dårlig konvertering effektivitet på <1%13. TREC-systemet viser, at et sekundært natrium-ion-batteri (SIB)-type termocell bestående af to typer preussiske blå analoger (PBA) med forskellige α-værdier kan høste spildvarme. Den termiske effektivitet (η) stiger proportionalt med ΔT. Desuden når η 1,08%, 3,19% ved ΔT = 30 K, 56 K separat. Den termiske cyklabilitet forbedres ved hjælp af Ni-substitueret PBA15,16,17,18.
Alternativt anvender et termisk regenerativt ammoniakbatteri (TRAB) kobberbaserede redox-par [Cu(NH3)42+/Cu(II)/Cu], der opererer med den omvendte temperaturgradient ved at skifte elektrolyttemperaturen i samarbejde med positive og negative elektroder, som producerer en ηE på 0,53% (13% af ηcarnot). Dette system er dog konfigureret med to tanke fuld af flydende elektrolyt, hvilket medfører træg opvarmning og køling. Også ammoniak strømmen i systemet skaber bekymringer med hensyn til sikkerhed, lækage, og stabilitet19,20,21.
Her præsenterer vi en asymmetrisk termoelektrokemisk celle (aTEC) til varme-til-elektricitet konvertering, der kan termisk oplades og elektrisk udledes ved kontinuerlig isothermal opvarmning uden at opretholde en temperaturgradient i en geometrisk konfiguration eller skifte temperaturer i en termisk cyklus. ATEC anvender asymmetriske elektroder, herunder en grafenoxid (GO) katode og en polyanilin (PANI) anode, og KCl som elektrolyt. Det er termisk opladet via termo-pseudokapactive effekt af GO og derefter udledes med oxidation reaktion PANI. ATEC udviser navnlig en høj α på 4,1 mV/K og opnår enη E på 3,32%, hvilket er det højeste nogensinde opnået ved 70 °C (25,3% af ηCarnot).
Protocol
Representative Results
Discussion
ATEC omdanner termisk energi til elektricitet via en termisk opladningsproces ved opvarmning fra RT til TH og en efterfølgende elektrisk afladningsproces ved TH. At komme af med afhængigheden af en temperaturgradient eller en temperaturcyklus som TGC og TREC, aTEC tillader isothermal opvarmning drift under hele opladning og udledning processer. Termisk induceret spænding er baseret på den pseudokapactive effekt af GO, fordi opvarmning letter chemisorption af protoner på ilt funktionelle grupper…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender konstruktiv diskussion med Prof. D.Y.C. Leung og Dr. Y. Chen (The University of Hong Kong), Prof. M.H.K. Leung (City University of Hong Kong), Dr. W. S. Liu (Southern University of Science and Technology), og Mr. Frank H.T. Leung (Techskill [Asia] Limited). Forfatterne anerkender den finansielle støtte fra General Research Fund of the Research Grants Council of Hong Kong Special Administrative Region, Kina, under Award Number 17204516 og 17206518, og Innovation and Technology Fund (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).
