Nature子刊：新型热充电电池！
将来自环境的低品位热能转化为电能，对于缓解能源危机和调整能源配置具有极大的可持续性。然而，当采用半导体时，可热再充电装置通常会遭受较差的转换效率。南京航空航天大学张校刚教授团队提出并展示了一种新的锌离子热充电电池，通过插入式阴极(VO2-PC)的热提取/插入和热扩散过程以及剥离/锌阳极的电镀行为，打破热电系统的传统。基于这种策略，~12.5mVK-1的高热电势令人印象深刻并且可以获得1.2mW的出色输出功率。此外，在45K的温差下实现了0.95%（卡诺效率的7.25%）的高热电流转换效率。这项展示了非凡的能量转换效率和充足的能量存储的工作将为铺平道路致力于建造具有吸引力的热电装置，以实现低品位热量的高附加值利用。
图1：锌基可热充电系统的概念和工作机制。
a)基于PC的热扩散效应、b)基于VO的热萃取效应和c）基于VO-PC的协同效应。
图2：ZTCC(锌基热充电电池)的构建和性能。
a)非等温电池示意图。b)电流为40μA的电化学电荷曲线。c)输出电压随不同温度梯度的变化。d)不同温差下的输出电压。e)电压差与温度差。f)能量转换过程中VO2的相应结构变化。g)负载为17kΩ的放电曲线。h)不同输出电压下的电流密度和功率密度图。i)输出功率和电压的比较。
图3：ZTCC(锌基热充电电池)的热电转换。
a)电流-电压图，b)内阻，c)转换效率和d)PC、VO2和VO2-PC的卡诺相对效率。e)消除温度梯度后的自放电曲线。
图4：不同电极的ZIBs(水系锌离子电池)的电化学性能。
a）VO2-PC在0.2mVs-1的初始3个循环的CV曲线。b)GCD曲线，c)Ragone图和d)10Ag-1下的循环稳定性。e)基于VO2-PC的ZIB与其他报道的器件的主要电化学参数的比较。f)不同扫描速率下的CV曲线。g)每个氧化还原峰的对应对数（电流）与对数（扫描速率）。h)GITT曲线和充放电时的Zn2+扩散系数。
图5：基于VO2-PC的ZIBs(水系锌离子电池)的机理。
a)GCD曲线在0.1Ag-1。b)VO2-PC阴极和c)Zn-G阳极的相应非原位XRD图谱。d–f)Zn2p、V2p和O1s的相应异位XPS光谱。
图6：各种模式下ZTCC(锌基热充电电池)的概念证明。
a)可穿戴ZTCC的示意图。b)恒电流和/或热模型的充电/放电过程。插图显示了体温和环境温度的变化。c–e)智能手表由两个串联的ZTCC在c、d)初始状态和e)恶劣条件下供电。
结论
总之，展示了采用基于通用溶液的策略制备的具有Zn阳极和VO2-PC阴极的ZTCC的设计和构造，用于高性能低品位热转换和Zn2+存储。值得一提的是，PC中均匀分布的VO2提供了丰富的电活性位点，为Zn2+存储提供了高容量和快速的动力学。碳基体充当电荷传输的连续路径和电解质离子扩散的通道。因此，VO2可以实现12.5mVK-1的高热电势-PC，有利于热电偶效应和热扩散的协同效应。作为概念验证，ZTCCs在45K的温差下表现出约1V的高输出电压和创纪录的1220μW输出功率以及7.25%的高卡诺相对效率。VO2-PC表现出优异的锌离子存储行为，例如高比容量（588mAhg-1在0.1Ag-1下），良好的倍率性能（80mAhg-1即使在20Ag-1)，以及超过50,000次循环。此外，两个串联的可穿戴ZTCC在电子领域展示了高可用性和耐用性。所有研究结果都证实，所提出的ZTCC将成为有前途的能量转换和存储的潜在候选者，对相关机制的详细研究可能为锌基器件的开发提供深刻的见解。
参考文献
Li,Z., Xu, Y., Wu, L. etal. Zincion thermal charging cell for low-grade heat conversion and energystorage. NatCommun13,132(2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27755-x
DOI: 10.1038/s41467-021-27755-x