خلية كيميائية حرارية غير متناظرة لحصاد الحرارة منخفضة الدرجة تحت عملية Isothermal

يمكن إعادة تدوير الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة في كل مكان (<100 درجة مئوية) وتحويلها إلى كهرباء^1،2 ولكنها تهدر بدلاً من ذلك. لسوء الحظ ، لا يزال استرداد الحرارة تحديًا كبيرًا ، لأن تحويل الحرارة منخفضة الدرجة إلى كهرباء عادة ما يكون غير فعال بسبب الفرق المنخفض في درجة الحرارة والطبيعة الموزعة لمصادر الحرارة^3. وقد أجريت بحوث مكثفة في المواد والأجهزة الحرارية الصلبة (TE) على مدى العقود الماضية، ولكن تطبيق قابلة للتطوير من الأجهزة TE في نظام الحرارة منخفضة الدرجة محدودة من كفاءة تحويل الطاقة منخفضة(ه)من <2%⁴.

وقد اقترح النهج البديلة على أساس تأثير درجة الحرارة على الخلايا الكهروكيميائية كحل لهذه المشكلة، وذلك لأن معامل سيبيك الأيونية (α) من الخلايا الحرارية الكهروكيميائية (TECs) هو أعلى بكثير من ذلك من أشباه الموصلات TE^5،6. تستخدم الخلايا الحرارية (TGC) الشوارد النشطة الحمراء الموجودة بين أقطاب كهربائية متطابقة لتوليد جهد كهربائي عبر الخلية عند تطبيق تدرج حراري. ومائي شائع الاستخدام Fe (CN)₆^3-/ Fe (CN)₆^4- تم الإبلاغ عن وجود إلكهار في TGCs يحتوي على α من -1.4 mV/K وينتج هـ <1%^{7،8،9،10،11}. ومع ذلك ، تعاني TGCs من عيب الموصلية الأيونية الفقيرة للكهارل السائل ، والذي يبلغ حوالي ثلاثة أوامر من الحجم أصغر من الموصلية الإلكترونية في مواد TE. يمكن تحسين الموصلية الكهربائية ، ولكن هذا التحسن مصحوب دائمًا بالموصلية الحرارية الأعلى ، مما يؤدي إلى تدرج في درجة الحرارة أقل. ولذلك، فإن _E من TGCs محدودة بطبيعتها بسبب المفاضلة بين التوصيل المنحل بالكهرباء السائل ومتطلبات درجة الحرارة لردود فعل الأكسدة المطلوبة في كل جانب من القطب.

دورة الكهربية الكهربية التجديدية حراريا (TREC)^12،13،14 على أساس نظام البطارية باستخدام النحاس الصلب hexacyanoferrate (CuHCF) الكاثود وCu / Cu⁺ أنود أفيد مؤخرا. تم تكوين TREC كخلية جراب لتحسين التوصيل الكهربائي ، مما يظهر α من −1.2 mV / K ويصل إلى درجةعالية من_E بنسبة 3.7٪ (21٪ من_{كارنوت)}عند تشغيلها عند 60 درجة مئوية و 10 درجة مئوية. ومع ذلك ، فإن أحد حدود TREC هو أن الكهرباء الخارجية مطلوبة في بداية العملية لشحن الأقطاب الكهربائية في كل دورة حرارية ، مما يؤدي إلى تصميمات نظام معقدة^14. يمكن تحقيق TREC دون هذا القيد ، لكنه يعاني من ضعف كفاءة التحويل من <1٪¹³. يوضح نظام TREC أن البطارية الثانوية من نوع الصوديوم أيون (SIB) المكونة من نوعين من نظائرها الزرقاء البروسية (PBA) ذات قيم α المختلفة يمكن أن تحصد حرارة النفايات. تزداد الكفاءة الحرارية بشكل متناسب مع درجة الحرارة. وعلاوة على ذلك، يصل إلى 1.08٪، 3.19٪ في 30 K = 56 K بشكل منفصل. يتم تحسين cyclability الحرارية باستخدام ني استبدال PBA^{15،16،17،18.}

بدلا من ذلك، بطارية الأمونيا المتجددة حراريا (TRAB) توظف الأزواج الأكسدة النحاس القائم [Cu(NH3)₄^{2 +}/ Cu (II)/Cu] التي تعمل مع تدرج درجة الحرارة العكسي عن طريق تبديل درجة حرارة المنحل بالكهرباء تعاونت مع أقطاب كهربائية إيجابية وسلبية، والتي تنتج E من 0.53٪ (13٪ من الكارنيو). ومع ذلك ، يتم تكوين هذا النظام مع خزانين كاملين من المنحل بالكهرباء السائل ، مما تسبب في التدفئة والتبريد. أيضا ، تيار الأمونيا في النظام يخلق مخاوف بشأن السلامة والتسرب والاستقرار^19،20،21.

هنا نقدم خلية حرارية كيميائية غير متناظرة (aTEC) لتحويل الحرارة إلى الكهرباء التي يمكن شحنها حراريًا وتفريغها كهربائيًا عن طريق التسخين المستمر دون الحفاظ على تدرج درجة الحرارة في تكوين هندسي أو تبديل درجات الحرارة في دورة حرارية. يستخدم aTEC أقطاب كهربائية غير متماثلة، بما في ذلك كاثود أكسيد الجرافين (GO) وأنود البولي انيلين (PANI)، وKCl كالمنحل بالكهرباء. يتم شحنها حراريًا عبر التأثير الحراري الزائف للجو ثم يتم تفريغها مع تفاعل الأكسدة من PANI. وتجدر الإشارة إلى أن aTEC يعرض α عالية من 4.1 mV/K ويحقق_E من 3.32٪، وهو أعلى مستوى يتحقق على الإطلاق عند 70 درجة مئوية (25.3٪ من_{كارنوت).}