등온 작동 하에서 저급 열 수확을 위한 비대칭 열전기 화학 전지
Summary
저급 열이 풍부하지만 효율적인 복구는 여전히 큰 과제입니다. 우리는 전해질로 KCl을 가진 양극으로 음극및 폴리아실린으로 그래핀 옥사이드를 사용하여 비대칭 열전기 화학 세포를 보고합니다. 이 셀은 등온 가열 하에서 작동하여 저온 영역에서 높은 열- 전기 변환 효율을 나타낸다.
Abstract
저급 열은 폐열로서 환경에서 풍부하게 사용할 수 있습니다. 저급 열을 전기로 효율적으로 변환하는 것은 매우 어렵습니다. 우리는 열 구배 또는 열 주기를 이용하지 않고 충전 및 방전 공정에서 열 -전기 변환을위한 비대칭 열 전기 화학 전지 (aTEC)를 개발했습니다. 상기 aTEC는 그래핀 옥사이드(GO) 음극, 폴리아실린(PANI) 양극, 1M KCl을 전해질로 구성된다. 셀은 실온 (RT)에서 고온 (TH, ~ 40-90 °C)으로 가열 할 때 GO의 의사 정전 용량 반응으로 인한 전압을 생성한 다음 외부 전기 부하가 연결될 때 PANI를 산화시켜 연속적으로 생성됩니다. aTEC는 4.1 mV/K의 놀라운 온도 계수와 3.32%의 높은 열-전기 변환 효율을 보여주며, 25.3%의 Carnot 효율을 가진 TH = 70°C에서 작동하며, 저급 열 회수를 위한 새로운 유망한 열전기 화학 기술을 발표했습니다.
Introduction
유비쿼터스 저급 열 에너지 (<100 °C)는 재활용되어 전기1,2로 변환 될 수 있지만 대신 낭비됩니다. 불행하게도, 열 회수는 저급 열을 전기로 변환하는 것은 일반적으로 열원의 저온 차동 및 분포 특성으로 인해 비효율적이기 때문에 여전히 큰 도전입니다3. 집중적인 연구는 지난 수십 년 동안 고체 열전(TE) 재료 및 장치에서 수행되어 왔지만, 저급 열 정권에서 TE 장치의 확장 가능한 적용은 낮은 에너지 변환 효율(θE)에의해 제한됩니다 <2%4.
전기화학전지에 대한 온도의 영향에 기초한 대안적 접근법은 열전기화학전지(TE)의 이온제벡 계수(α)가 TE 반도체5,6보다훨씬 높기 때문에 이러한 문제점에 대한 해결책으로 제시되고 있다. Thermogalvanic 셀(TGC)은 두 개의 동일한 전극 사이에 끼어 있는 레독스 활성 전해질을 활용하여 열 구배가 적용될 때 셀 전체에 걸쳐 전압을 생성합니다. 일반적으로 사용되는 수성 Fe(CN)63-Fe(CN)64-TGCs에서 α를 가지는 것으로 보고되었고<1%7,8,9,10,11의α를 수율로 나타났다. 그러나 TGCs는 액체 전해질의 불량한 이온 전도도의 단점을 겪고 있으며, 이는 TE 재료의 전자 전도도보다 약 3배 더 작습니다. 전기 전도도는 향상될 수 있지만, 이러한 개선은 항상 더 높은 열 전도성을 수반하여 낮은 온도 구배를 초래합니다. 따라서, TGCs의 θE는 본질적으로 액체 전해질 전도도 및 전극의 각 측면에서 원하는 산화환원 반응에 대한 온도 요구 사항 사이의 트레이드 오프로 인해 제한된다.
열회생 전기화학사이클(TREC)12,13,14는 고체 구리 헥사시노퍼레이트(CuHCF) 음극및 Cu/Cu+ 양극을 이용한 전지 시스템을 기반으로 최근 보고되었다. TREC는 전해질 전도도를 개선하기 위해 파우치 셀로 구성되며, 60°C 및 10°C에서 작동시 -1.2 mV/K의 α를 나타내고 3.7%(21%의카노)의높은 θE에 도달합니다. 그럼에도 불구하고, TREC의 한 가지 한계는 각 열 주기에서 전극을 충전하는 공정의 시작 시 외부 전기가 필요하며, 이는 복잡한 시스템 설계14로이어진다는 것입니다. 이 제한없이 TREC를 달성 할 수 있지만,의 가난한 변환 효율을 겪고 있다 <1%13. TREC 시스템은 서로 다른 α 값을 가진 두 가지 유형의 프로이센 블루 유사체(PBA)로 구성된 나트륨 이온 이차 전지(SIB) 형 써모셀이 폐열을 수확할 수 있음을 보여줍니다. 열 효율(θ)은 ΔT에 비례하여 증가합니다. 또한 δT = 30 K, 56 K에서 1.08 %, 3.19 %에 도달합니다. 열 순환성은 Ni-대체 PBA15,16,17,18을사용하여 향상됩니다.
양자택일로, 열 재생 암모니아 배터리 (TRAB)는 0.53 %의 E를 생산하는 양극 및 음극과 협력하여 전해질의 온도를 전환하여 역온도 구배와 함께 작동하는 구리 기반 의 산화 환원 커플 [Cu (NH3)4+ +Cu 및 Cu (II)/Cu]를 사용합니다. 그러나 이 시스템은 액체 전해질이 가득한 두 개의 탱크로 구성되어 가열 및 냉방이 느려집니다. 또한, 시스템의 암모니아 스트림은 안전, 누설 및안정성에대한 우려를 만듭니다19,20,21.
여기서 우리는 기하학적 구성에서 온도 구배를 유지하거나 열 주기에서 온도를 전환하지 않고 연속 등온 가열에 의해 열충전 및 전기적으로 방전될 수 있는 열-전기 변환을 위한 비대칭 열전기화학전지(aTEC)를 제시합니다. aTEC는 그래핀 옥사이드(GO) 음극과 폴리아실린(PANI) 양극, KCl을 전해질로 사용하는 비대칭 전극을 사용합니다. 그것은 GO의 열 의사 카피실성 효과를 통해 열충전된 다음 PANI의 산화 반응으로 배출됩니다. 특히, aTEC는 4.1 mV/K의 높은 α를 나타내며 3.32%의 e를 달성하며, 70°C(25.3%의카노)에서달성한 가장 높은 e를 달성했습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
aTEC는 RT에서 TH로 가열할 때 열 충전 공정을 통해 열 에너지를 전기로 변환하고 TH에서연속적인 전기 배출 공정을 통해 전기로 변환합니다. TGC 및 TREC와 같은 온도 구배 또는 온도 사이클에 대한 의존성을 제거한 aTEC는 전체 충전 및 방전 공정 동안 등온 가열 작업을 허용합니다. 열 유도 전압은 가열이 GO의 산소 작용기에서 양성자의 화학적 체증을 용이하게 하기 때문에 GO의 의사 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 D.Y.C. 렁 교수와 Y. 첸 박사(홍콩 대학교), M.H.K. 렁 교수(홍콩 시대학), W. S. Liu 박사(남부 과학 기술 대학), 프랭크 H.T. 렁(Techskill [아시아] 리미티드)과 건설적인 토론을 인정합니다. 저자는 수상 번호 17204516 및 17206518, 혁신 기술 기금 (참조 : ITS / 171 /16FX)에 따라 홍콩 특별 행정 구의 연구 보조금 위원회의 일반 연구 기금의 재정 지원을 인정합니다.
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 |
Referências
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