Asymmetrische thermoelektrochemische Zelle zur Ernte von minderwertiger Wärme im isothermen Betrieb
Summary
Low-Grade-Wärme ist reichlich vorhanden, aber seine effiziente Erholung ist immer noch eine große Herausforderung. Wir berichten von einer asymmetrischen thermoelektrochemischen Zelle mit Graphenoxid als Kathode und Polyaniin als Anode mit KCl als Elektrolyt. Diese Zelle arbeitet unter isothermen Erwärmung und weist eine hohe Wärme-Zu-Strom-Umwandlungseffizienz in Niedertemperaturregionen auf.
Abstract
Niedriggradige Wärme ist in der Umwelt reichlich als Abwärme verfügbar. Die effiziente Umwandlung von minderwertiger Wärme in Strom ist sehr schwierig. Wir haben eine asymmetrische thermoelektrochemische Zelle (aTEC) zur Wärme-Strom-Umwandlung im isothermen Betrieb im Lade- und Entladeprozess entwickelt, ohne den thermischen Gradienten oder den thermischen Zyklus zu nutzen. Der aTEC besteht aus einer Graphenoxid-Kathode (GO), einer Polyaniin (PANI) Anode und 1M KCl als Elektrolyt. Die Zelle erzeugt eine Spannung aufgrund der pseudokapazitiven Reaktion von GO beim Erhitzen von Raumtemperatur (RT) auf eine hohe Temperatur (TH,40-90 °C), und dann wird Strom sukzessive durch Oxidation von PANI erzeugt, wenn eine externe elektrische Last angeschlossen ist. Der aTEC weist einen bemerkenswerten Temperaturkoeffizienten von 4,1 mV/K und einen hohen Wärme-Strom-Umwandlungsgrad von 3,32 % auf und arbeitet bei einem TH = 70 °C bei einem Carnot-Wirkungsgrad von 25,3 % und stellt eine neue vielversprechende thermoelektrochemische Technologie für die niedriggradige Wärmerückgewinnung vor.
Introduction
Ubiquitous low-grade heat energy (<100 °C) could be recycled and converted into electricity1,2 but is instead was wasted. Leider ist die Wärmerückgewinnung immer noch eine große Herausforderung, da die Umwandlung von schwacher Wärme in Strom aufgrund des niedrigen Temperaturunterschieds und der verteilten Natur der Wärmequellen3in der Regel ineffizient ist. In den letzten Jahrzehnten wurde intensiv an Festkörpermaterialien und -geräten (TE) geforscht, aber die skalierbare Anwendung von TE-Geräten in einem niedergradigen Wärmeregime wird durch die geringe Energieeffizienzvon<2%4begrenzt.
Als Lösung für dieses Problem wurden alternative Ansätze vorgeschlagen, die auf der Wirkung der Temperatur auf elektrochemische Zellen basieren, da der ionische Seebeck-Koeffizient (-) thermoelektrochemischer Zellen (TECs) viel höher ist als der von TE-Halbleitern5,6. Thermogalvanische Zellen (TGC) verwenden Redox-aktive Elektrolyte, die zwischen zwei identischen Elektroden eingeklemmt sind, um eine Spannung über die Zelle zu erzeugen, wenn ein thermischer Gradient angewendet wird. Die häufig verwendete wässrige Fe(CN)63-/Fe(CN)64- Elektrolyt in TGCs hatte den Angaben zufolge ein Na von -1,4 mV/K und ergibt einen Wertvon <1%7,8,9,10,11. TGCs leiden jedoch unter dem Nachteil der schlechten ionischen Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyten, der etwa drei Größenordnungen kleiner ist als die elektronische Leitfähigkeit in TE-Materialien. Die elektrische Leitfähigkeit könnte verbessert werden, aber diese Verbesserung geht immer mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit einher, was zu einem niedrigeren Temperaturgradienten führt. Daher ist das Evon TGCs aufgrund des Kompromisses zwischen der flüssigen Elektrolytleitfähigkeit und dem Temperaturbedarf für die gewünschten Redoxreaktionen auf jeder Seite der Elektrode von Natur aus begrenzt.
Kürzlich wurde ein thermisch regenerativer elektrochemischer Zyklus (TREC)12,13,14 auf Basis eines Batteriesystems mit einer soliden Kupferhexacyanoferrate (CuHCF) Kathode und einer Cu/Cu+ Anode gemeldet. TREC ist als Beutelzelle zur Verbesserung der Elektrolytleitfähigkeit konfiguriert, die bei 60 °C und 10 °C einen Höchstwertvon 3,7 % (21 % desAutonichts)anzeigt. Eine Grenze von TREC ist jedoch, dass zu Beginn des Prozesses externe Elektrizität benötigt wird, um die Elektroden in jedem thermischen Zyklus aufzuladen, was zu komplizierten Systemdesigns14führt. Ein TREC ohne diese Einschränkung kann erreicht werden, leidet aber unter einer schlechten Umwandlungseffizienz von <1%13. Das TREC-System zeigt, dass eine Natrium-Ionen-Sekundärbatterie (SIB)-Thermozelle, die aus zwei Arten von preußischen blauen Analoga (PBA) mit unterschiedlichen Werten besteht, Abwärme ernten kann. Die thermische Effizienz (B) erhöht sich proportional mit dem Wert .T. Darüber hinaus erreicht die Summe 1,08 %, 3,19 % bei 30 K, 56 K separat. Die thermische Zyklyability wird mit Ni-substituierten PBA15,16,17,18verbessert.
Alternativ verwendet eine thermisch regenerative Ammoniakbatterie (TRAB) kupferbasierte Redoxpaare [Cu(NH3)42+/Cu und Cu(II)/Cu], die mit dem umgekehrten Temperaturgradienten arbeiten, indem sie die Temperatur des Elektrolyts schalten, der mit positiven und negativen Elektroden kooperiert wird, was ein Evon 0,53 % (13 % desAutonichts)ergibt. Dieses System ist jedoch mit zwei Tanks voller flüssigem Elektrolyt ausgestattet, was zu trägem Heizen und Kühlen führt. Auch der Ammoniakstrom im System schafft Bedenken in Bezug auf Sicherheit, Leckage und Stabilität19,20,21.
Hier stellen wir eine asymmetrische thermoelektrochemische Zelle (aTEC) zur Wärme-Strom-Umwandlung vor, die durch kontinuierliche isotherme Erwärmung thermisch aufgeladen und elektrisch entladen werden kann, ohne einen Temperaturgradienten in einer geometrischen Konfiguration oder Schalttemperaturen in einem thermischen Zyklus aufrechtzuerhalten. Das aTEC verwendet asymmetrische Elektroden, einschließlich einer Graphenoxid-Kathode (GO) und einer Polyaniin(PANI)-Anode, und KCl als Elektrolyt. Es wird thermisch über die thermopseudokapazitive Wirkung von GO aufgeladen und dann mit der Oxidationsreaktion von PANI entladen. Bemerkenswert ist, dass die aTEC einen hohen Na von 4,1 mV/K aufweist und einen Wertvon 3,32 % erreicht, den höchsten jemals erreichten Wert bei 70 °C (25,3 % vonCarnot).
Protocol
Representative Results
Discussion
Der aTEC wandelt thermische Energie über einen thermischen Ladevorgang beim Heizen von RT nach TH und einem aufeinanderfolgenden elektrischen Entladevorgang bei THin Strom um. Um die Abhängigkeit von einem Temperaturgradienten oder einem Temperaturzyklus wie TGC und TREC zu beseitigen, ermöglicht aTEC einen isothermen Heizbetrieb während des gesamten Lade- und Entladevorgangs. Die thermische induzierte Spannung basiert auf der pseudokapazitiven Wirkung von GO, da die Erwärmung die Chemisorption…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren würdigen konstruktive Gespräche mit Prof. D.Y.C. Leung und Dr. Y. Chen (The University of Hong Kong), Prof. M.H.K. Leung (City University of Hong Kong), Dr. W. S. Liu (Southern University of Science and Technology) und Herrn Frank H.T. Leung (Techskill [Asia] Limited). Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung des General Research Fund des Research Grants Council of Hong Kong Special Administrative Region, China, unter den Award-Nummern 17204516 und 17206518, und des Innovations- und Technologiefonds (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 |
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