Célula Termoeletroquímica assimétrica para colheita de calor de baixo grau operação isothermal
Summary
O calor de baixo grau é abundante, mas sua recuperação eficiente ainda é um grande desafio. Relatamos uma célula termoeletroquímica assimétrica usando óxido de grafeno como cátodo e polianilina como ânodo com KCl como eletrólito. Esta célula funciona aquecimento isotherômico, exibindo uma alta eficiência de conversão de calor para eletricidade em regiões de baixa temperatura.
Abstract
O calor de baixo grau está abundantemente disponível no ambiente como calor de resíduos. A conversão eficiente de calor de baixo grau em eletricidade é muito difícil. Desenvolvemos uma célula termoeletroquímica assimétrica (aTEC) para conversão de calor-eletricidade operação isothermal nos processos de carregamento e descarga sem explorar o gradiente térmico ou o ciclo térmico. O aTEC é composto por um cátodo de óxido de grafeno (GO), um ânodo de polianilina (PANI) e 1M KCl como eletrólito. A célula gera uma tensão devido à reação pseudocapacitiva de GO ao aquecer da temperatura ambiente (RT) a uma alta temperatura (TH, ~40-90 °C), e então a corrente é sucessivamente produzida por PANI oxidante quando uma carga elétrica externa é conectada. O aTEC demonstra um notável coeficiente de temperatura de 4,1 mV/K e uma alta eficiência de conversão de calor para eletricidade de 3,32%, trabalhando a um TH = 70 °C com uma eficiência Carnot de 25,3%, revelando uma nova promissora tecnologia termoeletroquímica para recuperação de calor de baixo grau.
Introduction
A onipresente energia térmica de baixo grau (<100 °C) poderia ser reciclada e convertida em eletricidade1,2, mas em vez disso é desperdiçada. Infelizmente, a recuperação de calor ainda é um grande desafio, pois a conversão de calor de baixo grau para eletricidade geralmente é ineficiente devido ao diferencial de baixa temperatura e à natureza distribuída das fontes de calor3. Pesquisas intensivas têm sido realizadas em materiais e dispositivos termoelétricos (TE) de estado sólido nas últimas décadas, mas a aplicação escalável de dispositivos TE em um regime de calor de baixo grau é limitada pela baixa eficiência de conversão de energia(ηE)de <2%4.
Abordagens alternativas baseadas no efeito da temperatura nas células eletroquímicas têm sido sugeridas como uma solução para este problema, pois o coeficiente iônico Seebeck (α) de células termoeletroquímicas (TECs) é muito maior do que o dos semicondutores TE5,6. As células termogalvânicas (TGC) utilizam eletrólitos ativos redoxos sanduíches entre dois eletrodos idênticos para gerar uma tensão através da célula quando um gradiente térmico é aplicado. O aquoso Fe(CN)63-/Fe(CN)64- eletrólito em TGCs foi relatado ter um α de -1,4 mV/K e render um ηE de <1%7,8,9,10,11. No entanto, os TGCs sofrem a desvantagem da má condutividade iônica do eletrólito líquido, que é cerca de três ordens de magnitude menor do que a condutividade eletrônica nos materiais TE. A condutividade elétrica poderia ser melhorada, mas essa melhoria é sempre acompanhada por uma maior condutividade térmica, o que leva a um gradiente de temperatura mais baixa. Portanto, o heE dos TGCs é inerentemente limitado devido à troca entre a condução de eletrólito líquido e a exigência de temperatura para as reações redoxas desejadas em cada lado do eletrodo.
Um ciclo eletroquímico termicamente regenerativo (TREC)12,13,14 baseado em um sistema de bateria usando um cátodo hexacyanoferrate de cobre sólido (CuHCF) e um ânodo Cu/Cu+ foi recentemente relatado. O TREC é configurado como uma célula de bolsa para melhorar a condução do eletrólito, mostrando um α de −1,2 mV/K e atingindo um alto de 3,7% (21% do seucarnot) quando operado a 60 °C e 10 °C. No entanto, um limite do TREC é que a eletricidade externa é necessária no início do processo para carregar os eletrodos em cada ciclo térmico, levando a complicados projetos do sistema14. Um TREC sem essa limitação pode ser alcançado, mas sofre de uma baixa eficiência de conversão de <1%13. O sistema TREC demonstra que uma bateria termocélula secundária de íons de sódio (SIB) composta por dois tipos de análogos azuis prussianos (PBA) com diferentes valores α pode colher calor de resíduos. A eficiência térmica (η) aumenta proporcionalmente com ΔT. Além disso, ele atinge 1,08%, 3,19% na ΔT = 30 K, 56 K separadamente. A cicvidabilidade térmica é melhorada utilizando PBA15,16,17,18.
Alternativamente, uma bateria de amônia termicamente regenerativa (TRAB) emprega casais redox baseados em cobre [Cu(NH3)42+/Cu e (II)/Cu] que operam com o gradiente de temperatura reversa, trocando a temperatura de eletrolito co-operado com eletrodos positivos e negativos, que produz um heE de 0,53% (13% do carnot). No entanto, este sistema é configurado com dois tanques cheios de eletrólito líquido, causando aquecimento e resfriamento lentos. Além disso, o fluxo de amônia no sistema cria preocupações com segurança, vazamento e estabilidade19,20,21.
Aqui apresentamos uma célula termoeletroquímica assimétrica (aTEC) para conversão de calor-eletricidade que pode ser carregada termicamente e eletricamente descarregada por aquecimento isonômico contínuo sem manter um gradiente de temperatura em uma configuração geométrica ou mudar temperaturas em um ciclo térmico. O aTEC usa eletrodos assimétricos, incluindo um cátodo de óxido de grafeno (GO) e um ânodo polianilina (PANI), e KCl como eletrólito. É carregado termicamente através do efeito termo-pseudocapacitivo de GO e, em seguida, descarregado com a reação de oxidação do PANI. Notavelmente, a aTEC exibe uma alta α de 4,1 mV/K e atinge um heE de 3,32%, o maior já alcançado a 70 °C (25,3% do seuCarnot).
Protocol
Representative Results
Discussion
O aTEC converte energia térmica em eletricidade através de um processo de carregamento térmico ao aquecer de RT a TH e um processo sucessivo de descarga elétrica em TH. Livrando-se da dependência de um gradiente de temperatura ou de um ciclo de temperatura como o TGC e o TREC, o ATEC permite a operação de aquecimento isotherômico durante todo o processo de carregamento e descarga. A tensão induzida térmica é baseada no efeito pseudocapacitivo de GO porque o aquecimento facilita a quimiogr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem a discussão construtiva com o Prof. D.Y.C. Leung e o Dr. Y. Chen (Universidade de Hong Kong), Prof. M.H.K. Leung (City University of Hong Kong), Dr. W. S. Liu (Southern University of Science and Technology) e Mr. Frank H.T. Leung (Techskill [Asia] Limited). Os autores reconhecem o apoio financeiro do Fundo Geral de Pesquisa do Conselho de Bolsas de Pesquisa da Região Administrativa Especial de Hong Kong, china, o Prêmio nº 17204516 e 17206518, e do Fundo de Inovação e Tecnologia (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 |
Referências
- 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).
