Asymmetrisk termoelektrokjemisk celle for høsting lavverdig varme under isothermal drift
Summary
Lavkvalitet varme er rikelig, men effektiv utvinning er fortsatt en stor utfordring. Vi rapporterer en asymmetrisk termoelektrokjemisk celle ved hjelp av grafenoksid som katode og polyanilin som en anode med KCl som elektrolytt. Denne cellen fungerer under isothermal oppvarming, viser en høy varme-til-elektrisitet konvertering effektivitet i lavtemperatur regioner.
Abstract
Lavverdig varme er rikelig tilgjengelig i miljøet som spillvarme. Effektiv konvertering av lavverdig varme til elektrisitet er svært vanskelig. Vi utviklet en asymmetrisk termoelektrokjemisk celle (aTEC) for varme-til-elektrisitet konvertering under isothermal drift i lading og lossing prosesser uten å utnytte termisk gradient eller termisk syklus. ATEC består av en grafenoksid (GO) katode, en polyanilin (PANI) anode, og 1M KCl som elektrolytt. Cellen genererer en spenning på grunn av pseudokapasitiv reaksjon av GO når oppvarming fra romtemperatur (RT) til en høy temperatur (TH, ~ 40-90 ° C), og deretter strøm er suksessivt produsert ved oksiderende PANI når en ekstern elektrisk belastning er koblet til. ATEC demonstrerer en bemerkelsesverdig temperaturkoeffisient på 4,1 mV /K og en høy varme-til-elektrisitet konverteringeffektivitet på 3,32%, arbeider på en TH = 70 ° C med en Carnot effektivitet på 25,3%, avduket en ny lovende termoelektrokjemisk teknologi for lavverdig varmegjenvinning.
Introduction
Allestedsnærværende lavverdig varmeenergi (<100 °C) kan resirkuleres og omdannes til elektrisitet1,2 men er i stedet bortkastet. Dessverre er varmegjenvinning fortsatt en stor utfordring, fordi konvertering av lavverdig varme til elektrisitet er vanligvis ineffektiv på grunn av den lave temperaturdifferensialen og den fordelte naturen til varmekildene3. Intensiv forskning har blitt utført i SOLID-state termoelektriske (TE) materialer og enheter for de siste tiårene, men den skalerbare anvendelsen av TE-enheter i et lavverdig varmeregime er begrenset av lav energikonverteringseffektivitet(ηE) av <2%4.
Alternative tilnærminger basert på effekten av temperatur på elektrokjemiske celler har blitt foreslått som en løsning på dette problemet, fordi ionisk Seebeck koeffisient (α) av termoelektrokjemiske celler (TECer) er mye høyere enn for TE-halvledere5,6. Thermogalvaiske celler (TGC) bruker redox aktive elektrolytter klemt mellom to identiske elektroder for å generere en spenning over cellen når en termisk gradient påføres. Den vanlige vandigfe (CN)63-/Fe(CN)64- elektrolytt i TGCer ble rapportert å ha en α på -1,4 mV/K og gi en ηE av <1%7,8,9,10,11. TGCs lider imidlertid ulempen med den dårlige ioniske ledningsevnen til væskeelektrolytten, som er rundt tre størrelsesordener mindre enn elektronisk ledningsevne i TE-materialer. Den elektriske ledningsevnen kan forbedres, men denne forbedringen er alltid ledsaget av en høyere varmeledningsevne, noe som fører til en lavere temperaturgradient. Derfor er ηE av TGCer iboende begrenset på grunn av avveiningen mellom væskeelektrolyttkondusatasjonen og temperaturbehovet for de ønskede redoksreaksjonene i hver side av elektroden.
En termisk regenerativ elektrokjemisk syklus (TREC)12,13,14 basert på et batterisystem ved hjelp av en solid kobber heksacyanoferrate (CuHCF) katode og en Cu / Cu+ anode ble nylig rapportert. TREC er konfigurert som en posecelle for å forbedre elektrolyttytelsen, som viser en α på −1,2 mV/K og når en høy ηE på 3,7 % (21 % avηcarnot) når den betjenes ved 60 °C og 10 °C. Likevel er en grense på TREC at ekstern elektrisitet er nødvendig ved starten av prosessen for å lade elektrodene i hver termisk syklus, noe som fører til kompliserte systemdesign14. En TREC uten denne begrensningen kan oppnås, men det lider av en dårlig konverteringeffektivitet på <1%13. TREC-systemet viser at et natrium-ion sekundært batteri (SIB)-type termocell bestående av to typer prøyssiske blå analoger (PBA) med forskjellige α-verdier kan høste spillvarme. Den termiske effektiviteten (η) øker proporsjonalt med ΔT. Videre når η 1,08%, 3,19% på ΔT = 30 K, 56 K separat. Den termiske syklbarheten forbedres ved hjelp av Ni-erstattet PBA15,16,17,18.
Alternativt bruker et termisk regenerativt ammoniakkbatteri (TRAB) kobberbaserte redox-par [Cu(NH3)42+/Cu og Cu(II)/Cu] som opererer med omvendt temperaturgradient ved å bytte temperaturen på elektrolytt som drives sammen med positive og negative elektroder, som produserer en ηE på 0,53 % (13 % av ηnotcarnot– Dette systemet er imidlertid konfigurert med to tanker fulle av flytende elektrolytt, noe som forårsaker svak oppvarming og kjøling. Ammoniakkstrømmen i systemet skaper også bekymringer for sikkerhet, lekkasje og stabilitet19,20,21.
Her presenterer vi en asymmetrisk termoelektrokjemisk celle (aTEC) for varme-til-elektrisitet konvertering som kan være termisk ladet og elektrisk utladet ved kontinuerlig isothermal oppvarming uten å opprettholde en temperaturgradient i en geometrisk konfigurasjon eller bytte temperaturer i en termisk syklus. ATEC bruker asymmetriske elektroder, inkludert en grafenoksid (GO) katode og en polyanilin (PANI) anode, og KCl som elektrolytt. Det er termisk ladet via den termo-pseudokapasitive effekten av GO og deretter utladet med oksidasjonsreaksjonen til PANI. Spesielt viser aTEC en høy α på 4,1 mV / K og oppnår en ηE på 3,32%, den høyeste noensinne oppnådd ved 70 ° C (25,3% av ηCarnot).
Protocol
Representative Results
Discussion
ATEC konverterer termisk energi til elektrisitet via en termisk ladeprosess ved oppvarming fra RT til TH og en påfølgende elektrisk utladingsprosess ved TH. ATEC blir kvitt avhengigheten av en temperaturgradient eller en temperatursyklus som TGC og TREC, og tillater isothermal oppvarming under hele lade- og utladingsprosessene. Termisk indusert spenning er basert på pseudokapasitiv effekt av GO fordi oppvarming letter chemisorpsjonen av protoner på oksygenfunksjonelle grupper av GO, forårsaker …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkjenner konstruktiv diskusjon med Prof. D.Y.C. Leung og Dr. Y. Chen (Universitetet i 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 anerkjenner økonomisk støtte fra General Research Fund of the Research Grants Council of Hong Kong Special Administrative Region, Kina, under Award Number 17204516 og 17206518, og Innovasjon og teknologi Fond (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).
