Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Asymetryczne ogniwo termoelektrochemiczne do zbierania ciepła niskiej jakości w trybie izotermicznym

7.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60768

⸱

5 lutego 2020

 ,  ,  ,  , 
1Electrochemical Nanoengineering Group, Department of Mechanical Engineering, University of Hong Kong

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Ciepła niskiej jakości jest obfite, ale jego skuteczne odzyskiwanie jest nadal wielkim wyzwaniem. Przedstawiamy asymetryczne ogniwo termoelektrochemiczne wykorzystujące tlenek grafenu jako katodę i polianilinę jako anodę z KCl jako elektrolitem. Ogniwo to działa w warunkach ogrzewania izotermicznego, wykazując wysoką sprawność konwersji ciepła na energię elektryczną w regionach o niskiej temperaturze.

Streszczenie

Ciepło niskiej jakości jest obficie dostępne w środowisku jako ciepło odpadowe. Efektywne przekształcanie ciepła niskiej jakości w energię elektryczną jest bardzo trudne. Opracowaliśmy asymetryczne ogniwo termoelektrochemiczne (aTEC) do konwersji ciepła na energię elektryczną w trybie izotermicznym w procesach ładowania i rozładowywania bez wykorzystania gradientu termicznego lub cyklu termicznego. aTEC składa się z katody z tlenku grafenu (GO), anody polianilinowej (PANI) i 1M KCl jako elektrolitu. Ogniwo wytwarza napięcie w wyniku reakcji pseudopojemnościowej GO podczas ogrzewania z temperatury pokojowej (RT) do wysokiej temperatury (TH, ~40-90 °C), a następnie prąd jest kolejno wytwarzany przez utlenianie PANI, gdy podłączone jest zewnętrzne obciążenie elektryczne. aTEC wykazuje niezwykły współczynnik temperaturowy 4,1 mV/K i wysoką sprawność konwersji ciepła na energię elektryczną wynoszącą 3,32%, pracując w temperaturzeT H = 70 °C ze sprawnością Carnota wynoszącą 25,3%, przedstawiając nową obiecującą technologię termoelektrochemiczną do odzysku ciepła o niskiej jakości.

Wprowadzenie

Wszechobecna energia cieplna niskiej jakości (<100 °C) mogłaby zostać przetworzona i przekształcona w energię elektryczną1,2, ale zamiast tego jest marnowana. Niestety, odzysk ciepła jest nadal dużym wyzwaniem, ponieważ przekształcanie ciepła niskiej jakości w energię elektryczną jest zwykle nieefektywne ze względu na niską różnicę temperatur i rozproszony charakter źródeł ciepła3. W ciągu ostatnich dziesięcioleci prowadzono intensywne badania nad materiałami i urządzeniami termoelektrycznymi w stanie stałym (TE), ale skalowalne zastosowanie urządzeń TE w reżimie cieplnym niskiej jakości jest ograniczone przez niską sprawność konwersji energii (ηE) wynoszącą <2%4.

Jako rozwiązanie tego problemu zasugerowano alternatywne podejścia oparte na wpływie temperatury na ogniwa elektrochemiczne, ponieważ jonowy współczynnik Seebecka (α) ogniw termoelektrochemicznych (TEC) jest znacznie wyższy niż w półprzewodnikach TE5,6. Ogniwa termogalwaniczne (TGC) wykorzystują aktywne elektrolity redoks umieszczone między dwiema identycznymi elektrodami w celu wytworzenia napięcia na ogniwie po zastosowaniu gradientu termicznego. Powszechnie stosowany wodny elektrolit Fe(CN)63-/Fe(CN)64- w TGC miał α -1,4 mV/K i dawał ηE na poziomie <1%7,8,9,10,11. Jednak TGC mają wadę polegającą na słabej przewodności jonowej ciekłego elektrolitu, która jest o około trzy rzędy wielkości mniejsza niż przewodność elektronowa w materiałach TE. Przewodność elektryczna można poprawić, ale poprawie tej zawsze towarzyszy wyższa przewodność cieplna, co prowadzi do niższego gradientu temperatury. W związku z tym ηE TGC jest z natury ograniczona ze względu na kompromis między przewodnością ciekłego elektrolitu a wymaganiami temperaturowymi dla pożądanych reakcji redoks po każdej stronie elektrody.

A termicznie regeneracyjny cykl elektrochemiczny (TREC)12,13,14 oparty na systemie baterii wykorzystującym katodę z heksacyjanożelazianu miedzi (CuHCF) i anodę Cu/Cu+ został niedawno zgłoszony. TREC jest skonfigurowany jako ogniwo torebkowe w celu poprawy przewodności elektrolitu, wykazując α -1,2 mV/K i osiągając wysoką ηE wynoszącą 3,7% (21% ηkarnota) podczas pracy w temperaturze 60 °C i 10 °C. Niemniej jednak jednym z ograniczeń TREC jest to, że zewnętrzna energia elektryczna jest wymagana na początku procesu do ładowania elektrod w każdym cyklu termicznym, co prowadzi do skomplikowanych projektów systemów14. TREC bez tego ograniczenia może być osiągnięty, ale cierpi z powodu słabej wydajności konwersji wynoszącej <1%13. System TREC pokazuje, że termokomórka typu wtórnej baterii sodowo-jonowej (SIB) składająca się z dwóch typów pruskich niebieskich analogów (PBA) o różnych wartościach α może zbierać ciepło odpadowe. Sprawność cieplna (η) wzrasta proporcjonalnie do ΔT. Ponadto η osiąga 1,08%, 3,19% przy ΔT = 30 K, osobno 56 K. Poprawiono cykliczność termiczną dzięki podstawionemu przez Ni PBA15,16,17,18.

Alternatywnie, termicznie regenerowana bateria amoniakcyjna (TRAB) wykorzystuje pary redoks na bazie miedzi [Cu(NH3)42+/Cu i Cu(II)/Cu], które działają z odwrotnym gradientem temperatury poprzez zamianę temperatury elektrolitu współpracującego z elektrodami dodatnimi i ujemnymi, co daje ηE na poziomie 0,53% (13% ηkarnocie). Jednak ten system jest skonfigurowany z dwoma zbiornikami pełnymi ciekłego elektrolitu, co powoduje powolne nagrzewanie i chłodzenie. Ponadto strumień amoniaku w systemie stwarza obawy dotyczące bezpieczeństwa, wycieku i stabilności19,20,21.

Tutaj prezentujemy asymetryczne ogniwo termoelektrochemiczne (aTEC) do konwersji ciepła na elektryczność, które może być ładowane termicznie i elektrycznie rozładowywane przez ciągłe ogrzewanie izotermiczne bez utrzymywania gradientu temperatury w konfiguracji geometrycznej lub przełączania temperatur w cyklu termicznym. aTEC wykorzystuje elektrody asymetryczne, w tym katodę z tlenku grafenu (GO) i anodę polianilinową (PANI) oraz KCl jako elektrolit. Jest ładowany termicznie poprzez efekt termo-pseudopojemnościowy GO, a następnie rozładowywany w reakcji utleniania PANI. Warto zauważyć, że aTEC wykazuje wysoką α 4,1 mV/K i osiąga ηE na poziomie 3,32%, co jest najwyższą kiedykolwiek osiągniętą w temperaturze 70 °C (25,3% ηCarnot).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie elektrody z tlenku grafenu

  1. Synteza tlenku grafenu zmodyfikowaną metodą Hummera
    1. Etapy 1.1.2 i 1.1.3 występują w niskiej temperaturze (<0 °C). Cyrkuluj lodowatą wodę przepływającą przez zewnętrzną warstwę szklanej zlewki o podwójnych ściankach umieszczonej na mieszadle magnetycznym, aby stworzyć warunki niskiej temperatury dla reagentów wewnątrz.
    2. Zmieszać 1 g azotanu sodu (NaNO3) ze 100 ml kwasu siarkowego (H2SO4, klasa odczynnika, 95-98%), powoli mieszając w zlewce.
    3. Do kwasu siarkowego dodać 1 g grafitu płatkowego i mieszać przez 1 godzinę w zimnej kąpieli. Stopniowo dodawać 6 g nadmanganianu potasu (KMnO4) do roztworu i mieszać mieszaninę przez kolejne 2 godziny.
    4. Kolejny etap reakcji zachodzi w średniej temperaturze (~35 °C). Zmień lodowatą wodę na wodę o temperaturze 35 °C i kontynuuj utlenianie grafitu, mieszając przez 1/2 godziny.
    5. Ostatni etap reakcji zachodzi w temperaturzeT H (80-90 °C). Kropla po kropli dodawać 46 ml wody dejonizowanej (DI) (70 °C) do zbiornika reakcyjnego. Zauważ, że reakcja jest silna. Dodać 140 ml wody DI i 20 ml nadtlenku wodoru (30% H2O2) do zbiornika reakcyjnego jako ostatni etap reakcji. Upewnij się, że w rezultacie pojawią się złote cząsteczki GO.
    6. Dokładnie umyć produkt rozcieńczonym kwasem solnym (HCl) i wodą demineralizowaną kilka razy, aż zawiesina GO osiągnie pH = 7.
    7. Umytą zawiesinę GO należy zamrozić przez noc i wysuszyć w liofilizatorze, aż woda całkowicie odparuje.
  2. Przygotowanie elektrody z tlenku grafenu
    1. Wymieszaj tlenek grafenu, sadzę i PVDF w stosunku masowym 75:15:10 i umieść je w szklanej butelce. Wlać rozpuszczalnik N-metylo-2-pirolidon (NMP) do mieszaniny stałej i upewnić się, że stosunek wagowy mieszaniny rozpuszczalnika do ciała stałego wynosi 4:1.
    2. Pastę należy przygotować mieszając z prędkością 2 000 obr./min przez 13 min i odpieniając przy 1 200 obr./min przez 2 minuty za pomocą miksera.
    3. Pastę należy posmarować pędzlem na kalce, aż warstwa osiągnie temperaturę ~8-15 mg/cm2 i schnąć przez 4 godziny w temperaturze 40 °C.

2. Przygotowanie elektrody polianilinowej (PANI)

  1. Przygotować 1% wag. roztwór wodny karboksymetylocelulozy (CMC), rozpuszczając proszek CMC w wodzie demineralizowanej, mieszając przez 10 godzin.
  2. W zlewce zmieszać 50 mg PANI na bazie leukoemeraldyny i 10 mg sadzy. Dodać 150 μl 1% wag. roztworu CMC do zlewki i mieszać mieszadłem magnetycznym przez 12 godzin.
  3. Do mieszaniny dodać 6 μl 40% roztworu butadienu styrenowego (SBR) i mieszać przez kolejne 15 minut.
  4. Umieść kawałek kalki na powlekarce raklowej i upuść zmieszaną gnojowicę PANI na przednią krawędź kalki.
  5. Ostrze pokryć gnojowicę, aby wytworzyć film o grubości 400 μm na kalce. Suszyć powłokę przez 4 godziny w temperaturze 50 °C.

3. Montaż ogniwa woreczka

  1. Przytnij folię tytanową do odpowiedniego rozmiaru, a następnie połącz każdy kawałek z niklową zakładką za pomocą ultradźwiękowej zgrzewarki punktowej 20 kHz.
  2. Umieść porowaty hydrofilowy separator na bazie polipropylenu między elektrodą GO a elektrodą PANI, aby uniknąć zwarć. Każda elektroda jest sparowana z jednym odbierakiem prądu.
  3. Zapakuj elektrody za pomocą folii laminowanej aluminium. Uszczelnij boki folii aluminiowej laminowanej kompaktową zgrzewarką próżniową na 4 s. Ustaw oddzielnie temperaturę górnej i dolnej części uszczelniającej na 180 °C i 160 °C.
  4. Wstrzyknąć 500 μl elektrolitu 1 M KCl do kuwety torebkowej i pozostawić do zrównoważenia przez 10 minut.
  5. Wytłacz nadmiar elektrolitu i uszczelnij ostatnią stronę ogniwa torebki w komorze próżniowej -80 kPa.

4. Konfiguracja systemu kontroli temperatury

  1. Umieść ogniwo woreczka między dwoma modułami termoelektrycznymi. Umieść termopary na górnej i dolnej stronie komórki. Nałóż pastę termiczną na wszystkie interfejsy, aby zapewnić dobry kontakt termiczny.
    UWAGA: Temperatura jest kontrolowana za pomocą kodu LabVIEW. Temperatury mierzone z termopar są porównywane z temperaturami zadanymi, a napięcie wyjściowe jest określane na podstawie różnicy między temperaturą w czasie rzeczywistym a temperaturą zadaną za pomocą regulatora PID. Sygnały napięciowe są przesyłane do zasilacza i są podłączane do modułu termoelektrycznego. Sterowanie w pętli zamkniętej gwarantuje dokładność pomiaru temperatury w granicach ± 0,5 °C.

5. Charakterystyka elektrochemiczna

  1. Wykonaj badania elektrochemiczne ogniwa za pomocą potencjostatu. Ładowanie termiczne należy przeprowadzić w trybie obwodu otwartego, przeprowadzając proces rozładowania elektrycznego przy stałym prądzie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Ogniwo pouch aTEC skonfigurowano z asymetrycznymi elektrodami składającymi się z katody GO i anody PANI, a następnie napełniono elektrolitem KCl. Grubość ogniwa pouch przedstawionego na Rycina 1A wynosi 1 mm, co ułatwia utrzymanie warunków izotermicznych między obiema elektrodami, a także zapewnia efektywne przewodzenie ciepła. Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (SEM) katody GO oraz anody PANI naniesionych na papier węglowy prze...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

aTEC przekształca energię cieplną w energię elektryczną w procesie ładowania termicznego podczas ogrzewania od RT doT H i kolejnym procesie rozładowania elektrycznego w TH. Pozbywając się zależności od gradientu temperatury lub cyklu temperaturowego, takiego jak TGC i TREC, aTEC umożliwia ogrzewanie izotermiczne podczas całego procesu ładowania i rozładowywania. Napięcie indukowane termicznie opiera się na pseudopojemnościowym efekcie GO, ponieważ ogrzewanie ułatwia chemisorpcję protonów na tlenowyc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

Autorzy dziękują za konstruktywną dyskusję z Prof. D.Y.C. Leungiem i Dr. Y. Chenem (Uniwersytet w Hongkongu), Prof. M.H.K. Leungiem (City University of Hong Kong), Dr. W. S. Liu (Southern University of Science and Technology) oraz Panem Frankiem H.T. Leungiem (Techskill [Asia] Limited]. Autorzy dziękują za wsparcie finansowe Ogólnego Funduszu Badawczego Rady ds. Grantów Badawczych Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkongu w Chinach w ramach Nagrody nr 17204516 i 17206518 oraz Funduszu Innowacji i Technologii (Ref: ITS/171/16FX).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Folia laminowana z tlenku glinuShowa DenkoSPALF C4
SadzaAlfa AesarH30253.22
Kalka kalkowaCeTech Co. LtdW0S1009
Karboksymetyloceluloza (CMC)Firma Guidechem Zasilacz
prądu stałegoB& K PrecisionModel 913-B
Powlekarka z rakląShining Energy Co. Ltd
GamryGamry InstrumentsReference 3000
GraphiteSigma-Aldrich332461-2.5KG
MikserThinkyARE-250
NikielZakładka Tianjin Iversonchem firma4 mm szerokość
N-metylo-2-pirolidon (NMP)Sigma-Aldrich443778-1L
Polianilina (zasada leukoemeraldiny)Sigma-Aldrich530670-5G
Nadmanganian potasu (KMnO4)Sigma-Aldrich223468-500G
SeparatorCLDPo grubości 25 um
Azotan sodu (NaNO3)Sigma-AldrichS5506-250G
Styren-butadienTianjin Iversonchem firmaBM400
Kwas siarkowySigma-Aldrich320501-2.5L
Moduły termoelektryczneCUI Inc.
Folia tytanowaQingyuan metalo grubości 0,03 mm
CP455535H

Bibliografia

  1. Chu, S., Majumdar, A. Opportunities and Challenges for A Sustainable Energy Future. Nature. 488, 294(2012).
  2. Forman, C., Muritala, I. K., Pardemann, R., Meyer, B. Estimating the Global Waste Heat Potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 57, 1568-1579 (2016).
  3. Gur, I., Sawyer, K., Prasher, R. Searching for A Better Thermal Battery. Science. 335 (6075), 1454-1455 (2012).
  4. He, R., Schierning, G., Nielsch, K. Thermoelectric Devices: A Review of Devices, Architectures, and Contact Optimization. Advanced Materials Technologies. 3 (4), 1700256(2018).
  5. 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).
  6. Zhang, L., et al. High Power Density Electrochemical Thermocells for Inexpensively Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Advanced Materials. 29 (12), 1605652(2017).
  7. Duan, J., et al. Aqueous Thermogalvanic Cells with A High Seebeck Coefficient for Low-Grade Heat Harvest. Nature Communications. 9 (1), 5146(2018).
  8. Im, H., et al. High-Efficiency Electrochemical Thermal Energy Harvester Using Carbon Nanotube Aerogel Sheet Electrodes. Nature Communications. 7, 10600(2016).
  9. Hu, R., et al. Harvesting Waste Thermal Energy Using A Carbon-Nanotube-Based Thermo-Electrochemical Cell. Nano Letters. 10 (3), 838-846 (2010).
  10. Poletayev, A. D., McKay, I. S., Chueh, W. C., Majumdar, A. Continuous Electrochemical Heat Engines. Energy and Environmental Science. 11 (10), 2964-2971 (2018).
  11. 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).
  12. Lee, S. W., et al. An Electrochemical System for Efficiently Harvesting Low-Grade Heat Energy. Nature Communications. 5, 3942(2014).
  13. 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).
  14. Yang, Y., et al. Membrane-Free Battery for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Nano Letters. 14 (11), 6578-6583 (2014).
  15. 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).
  16. Shibata, T., Fukuzumi, Y., Kobayashi, W., Moritomo, Y. Thermal Power Generation During Heat Cycle Near Room Temperature. Applied Physics Express. 11 (1), 017101(2018).
  17. Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Thermal Efficiency of A Thermocell Made of Prussian Blue Analogues. Scientific Reports. 8 (1), 14784(2018).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Odzysk ciepła niskotemperaturowegokatoda z tlenku grafenuanoda z polianilinyelektrolit z chlorku potasuwspółczynnik temperaturowykonwersja ciepła na energię elektrycznąładowanie termicznerozładowywanie elektryczne
Asymetryczne ogniwo termoelektrochemiczne do zbierania ciepła niskiej jakości w trybie izotermicznym
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.