南洋理工大学Lee Seok Woo 《Nano Energy》：电池仅依靠热能就可充电？余热利用助力碳中和
发布者：刘德桃发布时间：2022-09-27浏览次数：10
近年来，二氧化碳排放增加，温室效应加剧，由此引起的干旱、洪灾、热浪、山火等极端天气事件频发。为了减排温室气体，早日实现碳中和，我们应该有所作为。从能源利用来讲，开发绿色低碳能源、提升能源利用效率就是典型的开源、节流。低品位余热被视为一种“新能源”，有效利用余热是一种变废为宝的有效手段。什么是低品位余热呢？能源按照其可用能的多少可以分类为高品位能源、低品位能源。通常低品位余热指的是温度小于100度的热源所携带的热量。工业废热、太阳能、电子器件散热、甚至人体，这些都可以归类为低品位热源。低品位余热广泛存在，但没有有效利用，也不好利用，因为这些热源与环境温度的温差实在太小。据估测，约有60%以上的废热是低品位余热。科学家们一直致力于开发新的低品位热电转换技术，但是大部分的卡诺效率都很低，以至于很难看到应用前景。
近日，南洋理工大学Lee Seok Woo教授团队报道了一种基于热再生电化学循环（Thermally regenerative electrochemical cycle，简称TREC）的热电转换系统，不仅能高效的将低品位热能转换为电能，还具备了连续稳定运行的产业化要求。相关成果发表在《Nano Energy》上。（Continuous thermally regenerative electrochemical systems for directly converting low-grade heat to electricity. Nano Energy, 2022, 101, 107547, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107547）TREC技术是基于什么原理呢？我们都知道普通电池是通过外加电源来充电的，充放电过程存在一定的能量损失。如果用电压-容量曲线来表示，充放电曲线之间所围的面积就代表了能量损失（见下图左）。而TREC则基于温度与电池电压之间的关系，在不同的温度下分别充电和放电，将把放电曲线抬高至充电曲线之上，充放电曲线之间所围的面积就代表了所回收的能量（见下图幼），以此实现了热能到电能的转换。那么，什么温度充电，什么温度放电呢？这就跟材料的温度系数有关系了。如果材料的温度系数为正，意味着温度越高电压越高，那么需要在低温充电高温放电；如果材料的温度系数为负，则温度越高电压越低，因此需要在高温充电低温放电。有心的读者应该已经发现，这TREC还是得先充电再放电，在一个温度下充电一段时间，再换另一个温度放电一段时间，如此循环往复。这不优秀啊，充电要耗能，而且工作过程不连续。没错，这篇文章解决的就是这个痛点问题！Lee Seok Woo教授团队提出一种连续热再生电化学系统，即采用一对相同的电池单体组成一个单元，这两个电池单体分别处在不同温度，通过温度差来产生电压差，并通过温度周期性交替实现再生，整个运行过程无需外接电源充电，可以连续地对外放电。整个系统的运行仅依靠冷热源的温度差，真正地实现了热再生！试想一下，有这么两个一模一样的电池，初始状态完全相同，把电池负极相接短路，留下两个正极对外输出，此时输出为0。然后把其中一个置于高温，另一个置于低温，由于材料的温度效应，两电池电压一个降低一个升高，产生了电压差，可以对外放电了！电放没了怎么办？交换温度！温差又产生电压差了，又可以对外放电了！就这样循环往复，一个仅依靠热能的交流电就产生了。为了验证这个概念，作者选用普鲁士蓝类似物铁氰化铜为正极材料，铜为负极材料，在不同的热源温度和冷源温度下测试了该热电转换系统的性能。在热源50度、冷源10度（即40度温差）的条件下，系统获得了1.76%的热电转换效率（相对卡诺效率14.19%），如果能应用回热，假设回热效率80%，那么系统的热电转换效率将达到5.60%（相对卡诺效率45.21%），远超其它热电技术（低于20%）！该研究为TREC的产业化奠定了试验基础，并且提供了如下优势：（1）系统结构简单，易于实现。倘若应用于工业余热回收，则可以搭建如论文所示的简单系统，通过循环泵和阀门组成的流量管理系统实现冷热水的切换。（2）电池材料的选择具有很高的灵活度和自由性。不需要再去寻找各方面（温度系数、比热、阻抗、容量、反应平台等）都得严格满足的材料，只要电池材料的温度效应可以被利用，就有可能将该系统用于低品位热能的利用。论文也通过另一个电池系统验证了这一点。选用铁氰化镍为正极材料，银/氯化银为负极材料，在40度温差下实现了相当的热电转换效率（1.56%）。（3）论文也通过试验验证了回收利用极低品位余热的可能性。在与环境温度仅10度温差下（即热源温度35度），实现热电转换效率0.98%（相对卡诺效率高达30.08%），有望实现近环境温度余热利用！
