Célula termoelectroquímica asimétrica para la cosecha de calor de bajo grado bajo operación isotérmica

La energía térmica ubicua de bajo grado (<100 oC) podría reciclarse y convertirse en electricidad^1,2, pero en su lugar se desperdicia. Desafortunadamente, la recuperación de calor sigue siendo un gran desafío, porque la conversión de calor de bajo grado a electricidad suele ser ineficiente debido al diferencial de baja temperatura y la naturaleza distribuida de las fuentes de calor³. Durante las últimas décadas se han llevado a cabo intensas investigaciones en materiales y dispositivos termoeléctricos de estado sólido (TE) durante las últimas décadas, pero la aplicación escalable de dispositivos TE en un régimen de calor de bajo grado está limitada por la baja eficiencia de conversión de energía(_{é E}) de <2%⁴.

Se han sugerido enfoques alternativos basados en el efecto de la temperatura en las células electroquímicas como solución a este problema, ya que el coeficiente iónico Seebeck (o) de las células termelectroquímicas (TEC) es mucho mayor que el de los semiconductores TE^5,6. Las células termogalvánicas (TGC) utilizan electrolitos activos redox intercalados entre dos electrodos idénticos para generar un voltaje a través de la célula cuando se aplica un gradiente térmico. Se informó que el electrolito acuoso Fe(CN)₆^3-/Fe(CN)₆^4- en TGCs tenía un valor de -1,4 mV/K y que produce una_E de <1%^7,8,9,10,11. Sin embargo, los TGCs sufren el inconveniente de la pobre conductividad iónica del electrolito líquido, que es alrededor de tres órdenes de magnitud menor que la conductividad electrónica en los materiales TE. La conductividad eléctrica podría mejorarse, pero esta mejora siempre va acompañada de una mayor conductividad térmica, lo que conduce a un menor gradiente de temperatura. Por lo tanto, la_E de los TGCs es inherentemente limitada debido al equilibrio entre la conductancia del electrolito líquido y el requisito de temperatura para las reacciones redox deseadas en cada lado del electrodo.

Recientemente se informó de un ciclo electroquímico regenerativo térmico (TREC)^12,13,14 basado en un sistema de baterías que utiliza un cátodo hexacianoferrato de cobre sólido (CuHCF) y un ánodo Cu/Cu^+. TREC se configura como una célula de bolsa para mejorar la conductancia de los electrolitos, mostrando un valor de 1,2 mV/K y alcanzando un alto e_del 3,7% (21% de_carnot)cuando se opera a 60 oC y 10 oC. Sin embargo, un límite de TREC es que se requiere electricidad externa al inicio del proceso para cargar los electrodos en cada ciclo térmico, dando lugar a complicados diseños de sistemas^14. Un TREC sin esta limitación se puede lograr, pero sufre de una eficiencia de conversión pobre de <1%¹³. El sistema TREC demuestra que una batería secundaria de iones de sodio (SIB) que consiste en dos tipos de análogos azules prusianos (PBA) con diferentes valores de la tecnología de la batería secundaria de iones de sodio (SIB) que consiste en dos tipos de análogos azules prusianos (PBA) con valores de tipo de los diferentes puede cosechar calor residual. La eficiencia térmica aumenta proporcionalmente con la t. Por otra parte, el valor de la cuenta alcanza el 1,08%, el 3,19% a 30 K, 56 K por separado. La ciclabilidad térmica se mejora utilizando Ni sustituido PBA^15,16,17,18.

Alternativamente, una batería de amoníaco regenerativa térmicamente (TRAB) emplea parejas redox a base de cobre [Cu(NH3)₄²⁺/Cu y Cu(II)/Cu] que funcionan con el gradiente de temperatura inverso cambiando la temperatura de los electrolitos co-operados con electrodos positivos y negativos, que produce un_E de 0.53% (13% de_carnot). Sin embargo, este sistema está configurado con dos tanques llenos de electrolito líquido, causando un calentamiento y refrigeración lentos. Además, el flujo de amoníaco en el sistema crea preocupaciones con respecto a la seguridad, fugas y estabilidad^19,20,21.

Aquí presentamos una célula termelectroquímica asimétrica (aTEC) para la conversión calor-electricidad que puede ser cargada térmicamente y descargada eléctricamente por calentamiento isotérmico continuo sin mantener un gradiente de temperatura en una configuración geométrica o temperaturas de conmutación en un ciclo térmico. El aTEC utiliza electrodos asimétricos, incluyendo un cátodo de óxido de grafeno (GO) y un ánodo de polianilina (PANI), y KCl como electrolito. Se carga térmicamente a través del efecto termopseudocapacitivo de GO y luego se descarga con la reacción de oxidación de PANI. En particular, el aTEC exhibe un alto valor de 4,1 mV/K y alcanza una_E de 3,32%, la más alta jamás alcanzada a 70 oC (25,3% de_Carnot).