Asymmetrisk termoelektrokemisk cell för skörd lågvärdig värme under Isothermal Operation
Summary
Låggradig värme är riklig, men dess effektiva återhämtning är fortfarande en stor utmaning. Vi rapporterar en asymmetrisk termoelektrokemisk cell med grafenoxid som katod och polyaniline som en anod med KCl som elektrolyt. Denna cell arbetar under isothermal uppvärmning, uppvisar en hög värme-till-el omvandlingeffektivitet i lågtemperaturregioner.
Abstract
Låggradig värme är rikligt tillgänglig i miljön som spillvärme. En effektiv omvandling av låggradig värme till el är mycket svår. Vi utvecklade en asymmetrisk termoelektrokemisk cell (aTEC) för värme till el konvertering under isothermal drift i laddning och urladdning processer utan att utnyttja termisk lutning eller termisk cykel. ATEC består av en grafenoxid (GO) katod, en polyaniline (PANI) anod och 1M KCl som elektrolyt. Cellen genererar en spänning på grund av den pseudokapacitiva reaktionen av GO vid uppvärmning från rumstemperatur (RT) till en hög temperatur (TH, ~ 40-90 °C), och sedan ström successivt produceras genom oxidering PANI när en extern elektrisk belastning är ansluten. ATEC visar en anmärkningsvärd temperaturkoefficient på 4,1 mV/K och en hög värme-till-el-omvandlingseffektivitet på 3,32 %, som arbetar vid en TH = 70 °C med en Carnot-effektivitet på 25,3%, som presenterar en ny lovande termoelektrokemisk teknik för låggradig värmeåtervinning.
Introduction
Allestädes närvarande lågvärdig värmeenergi (<100 °C) skulle kunna återvinnas och omvandlas till el1,2 men slösas i stället bort. Tyvärr är värmeåtervinning fortfarande en stor utmaning, eftersom omvandla låggradig värme till el är oftast ineffektiv på grund av den låga temperaturskillnaden och den distribuerade karaktären av värmekällorna3. Intensiv forskning har bedrivits i solid-state termoelektriska (TE) material och anordningar under de senaste decennierna, men skalbar tillämpning av TE-enheter i en lågvärdig värmeregim begränsas av låg energiomvandlingeffektivitet (ηE) av <2%4.
Alternativa metoder baserade på effekten av temperaturen på elektrokemiska celler har föreslagits som en lösning på detta problem, eftersom den joniska Seebeckskoefficienten (α) av termoelektrokemiska celler (TECs) är mycket högre än för TE-halvledare5,6. Termogalvaniska celler (TGC) använder redox aktiva elektrolyter inklämda mellan två identiska elektroder för att generera en spänning över cellen när en termisk gradient appliceras. Den vanliga akvaformade Fe(CN)63-/Fe(CN)64- elektrolyt i TFC rapporterades ha en α på -1,4 mV/K och ger en ηE på <1%7,8,9,10,11. TFC lider dock nackdelen med den dåliga joniska ledningsförmågan hos den flytande elektrolyten, vilket är ungefär tre storleksordningar som är mindre än den elektroniska ledningsförmågan i TE-material. Den elektriska ledningsförmågan skulle kunna förbättras, men denna förbättring åtföljs alltid av en högre värmeledningsförmåga, vilket leder till en lägre temperaturgradient. Därför är ηE av TGCs i sig begränsad på grund av avvägning mellan flytande elektrolytledning och temperaturkravet för de önskade redox reaktionerna på varje sida av elektroden.
En termiskt regenerativ elektrokemisk cykel (TREC)12,13,14 baserat på ett batterisystem med hjälp av en solid koppar hexacyanoferat (CuHCF) katod och en Cu / Cu+ anod rapporterades nyligen. TREC är konfigurerad som en påsecell för att förbättra elektrolytledningsansen, som visar en α på −1,2 mV/K och når en hög ηE på 3,7% (21% av ηcarnot) vid drift vid 60 °C och 10 °C. En gräns för TREC är dock att extern el krävs i början av processen för att ladda elektroderna i varje termisk cykel, vilket leder till komplicerade systemkonstruktioner14. En TREC utan denna begränsning kan uppnås, men det lider av en dålig omvandlingseffektivitet på <1%13. TREC-systemet visar att ett natriumjonsekundärt batteri (SIB)-typ termocell bestående av två typer av preussiska blå analoger (PBA) med olika α-värden kan skörda spillvärme. Värmeeffektiviteten (η) ökar proportionellt med ΔT. Dessutom når η 1,08%, 3,19% vid ΔT = 30 K, 56 K separat. Den termiska cyclabilityen förbättras med ni-byten PBA15,16,17,18.
Alternativt använder ett termiskt regenerativt ammoniakbatteri (TRAB) kopparbaserade redoxpar [Cu(NH3)42+/Cu och Cu(II)/Cu] som fungerar med lutningen på omvänd temperatur genom att byta temperaturen på elektrolyt en co-operated med positiva och negativa elektroder, vilket ger en ηE på 0,53% (13% av ηcarnot). Detta system är dock konfigurerat med två tankar fulla av flytande elektrolyt, vilket orsakar trög uppvärmning och kylning. Dessutom skapar ammoniakströmmen i systemet oro för säkerhet, läckage och stabilitet19,20,21.
Här presenterar vi en asymmetrisk termoelektrokemisk cell (aTEC) för värme till el konvertering som kan termiskt laddas och elektriskt urladdas genom kontinuerlig isothermal uppvärmning utan att upprätthålla en temperaturgradient i en geometrisk konfiguration eller växlingstemperaturer i en termisk cykel. ATEC använder asymmetriska elektroder, inklusive en grafenoxid (GO) katod och en polyaniline (PANI) anod, och KCl som elektrolyt. Det laddas termiskt via den thermo-pseudocapacitive effekten av GO och sedan släpps ut med oxidationsreaktionen av PANI. Noterbart är att aTEC uppvisar en hög α på 4,1 mV/K och uppnår en ηE på 3,32%, den högsta som någonsin uppnåtts vid 70 °C (25,3% av ηCarnot).
Protocol
Representative Results
Discussion
ATEC omvandlar termisk energi till el via en termisk laddningsprocess vid uppvärmning från RT till TH och en på varandra följande elektrisk urladdningsprocess vid TH. Att bli av med beroendet av en temperaturgradient eller en temperaturcykel som TGC och TREC, tillåter aTEC isothermal uppvärmning under hela laddnings- och urladdningsprocesserna. Termisk inducerad spänning baseras på den pseudokapacitive effekten av GO eftersom uppvärmning underlättar chemisorption av protoner på syre funkt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner konstruktiv diskussion med Prof. D.Y.C. Leung och Dr Y. Chen (University of Hong Kong), Prof. M.H.K. Leung (City University of Hong Kong), Dr. W. S. Liu (Southern University of Science and Technology) och Mr Frank H.T. Leung (Techskill [Asia] Limited). Författarna erkänner det ekonomiska stödet från General Research Fund vid Research Grants Council of Hong Kong Special Administrative Region, Kina, under tilldelningnummer 17204516 och 17206518, och innovations- och teknikfonden (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).
