Cellule thermoélectrochimique asymétrique pour la récolte de chaleur de qualité inférieure dans le cadre de l'opération isothermale

L’énergie de chaleur de faible teneur ubiquitaire (lt;100 oC) pourrait être recyclée et convertie en électricité^1,2, mais elle est plutôt gaspillée. Malheureusement, la récupération de chaleur est toujours un grand défi, parce que la conversion de la chaleur de qualité inférieure à l’électricité est généralement inefficace en raison de la faible température différentielle et la nature distribuée des sources de chaleur³. Des recherches intensives ont été menées dans des matériaux et des dispositifs thermoélectriques à l’état solide (TE) au cours des dernières décennies, mais l’application évolutive d’appareils TE dans un régime de chaleur de faible teneur est limitée par la faible efficacité de conversion énergétique(E)de ‘lt;2%⁴.

Des approches alternatives basées sur l’effet de la température sur les cellules électrochimiques ont été suggérées comme solution à ce problème, parce que le coefficient ionique de Seebeck () des cellules thermoélectrochimiques (TEC) est beaucoup plus élevé que celui des semi-conducteurs TE^5,6. Les cellules thermogalvaïques (TGC) utilisent des électrolytes actifs redox pris en sandwich entre deux électrodes identiques pour générer une tension à travers la cellule lorsqu’un gradient thermique est appliqué. L’électrolyte aqueux couramment utilisé Fe (CN)₆^3-/Fe (CN)₆^4- dans les TGCs a été signalé pour avoir un – de -1,4 mV/K et de donner un_E de lt;1%^7,8,9,10,11. Cependant, les TPC souffrent de l’inconvénient de la mauvaise conductivité ionique de l’électrolyte liquide, qui est d’environ trois ordres de grandeur plus petit que la conductivité électronique dans les matériaux TE. La conductivité électrique pourrait être améliorée, mais cette amélioration est toujours accompagnée d’une conductivité thermique plus élevée, ce qui conduit à un gradient de température plus faible. Par conséquent, le E_des TPC est intrinsèquement limité en raison du compromis entre la conductance de l’électrolyte liquide et l’exigence de température pour les réactions redox souhaitées de chaque côté de l’électrode.

Un cycle électrochimique thermiquement régénératif (TREC)^12,13,14 basé sur un système de batterie utilisant une cathode d’hexacyanoferrate de cuivre solide (CuHCF) et une anode cu/Cu^– a été récemment rapporté. TREC est configuré comme une cellule de poche pour améliorer la conductance de l’électrolyte, montrant un ‘de 1,2 mV/K et atteignant un haut E_de 3,7% (21% de_‘carnot)lorsqu’il est actionné à 60 oC et 10 oC. Néanmoins, une limite de TREC est que l’électricité externe est nécessaire au début du processus pour charger les électrodes dans chaque cycle thermique, conduisant à des conceptions de système^{compliquées 14}. Un TREC sans cette limitation peut être réalisé, mais il souffre d’une faible efficacité de conversion de ‘lt;1%¹³. Le système TREC démontre qu’une thermocellule secondaire de type batterie à ions de sodium (SIB) composée de deux types d’analogues bleus prussiens (PBA) avec des valeurs différentes peut récolter la chaleur résiduelle. L’efficacité thermique augmente proportionnellement avec le T. En outre, le taux d’accès atteint 1,08 %, soit 3,19 % à 30 K, 56 K séparément. La cyclabilité thermique est améliorée en utilisant Ni-substitué PBA^15,16,17,18.

Alternativement, une batterie d’ammoniac thermiquement régénératrice (TRAB) emploie des couples de redox à base de cuivre [Cu(NH3)₄²/Cu et Cu(II)/Cu] qui fonctionnent avec le gradient de température inverse en changeant la température de l’électrolyte coopéré avec des électrodes positives et négatives, qui produit un E de 0,53% (13% de_carnot). Cependant, ce système est configuré avec deux réservoirs pleins d’électrolyte liquide, provoquant un chauffage et un refroidissement lents. En outre, le flux d’ammoniac dans le système crée des préoccupations concernant la sécurité, les fuites et la stabilité^19,20,21.

Ici, nous présentons une cellule thermoélectrochimique asymétrique (aTEC) pour la conversion de la chaleur à l’électricité qui peut être thermiquement chargée et déchargée électriquement par chauffage isotherme continu sans maintenir un gradient de température dans une configuration géométrique ou des températures de commutation dans un cycle thermique. L’aTEC utilise des électrodes asymétriques, y compris une cathode d’oxyde de graphène (GO) et une anode en polyaniline (PANI), et KCl comme électrolyte. Il est chargé thermiquement par l’effet thermo-pseudocapacitif de GO et ensuite déchargé avec la réaction d’oxydation de PANI. Notamment, l’aTEC affiche un maximum de 4,1 mV/K et atteint un_E de 3,32 %, le plus haut jamais atteint à 70 oC (25,3 % de_Carnot).