• 熱化學電池

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    熱化學電池

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    熱化學電池(稱為電化學電池熱原電池熱電池和電化學能量收集)是一種熱電轉換元件

    熱化學電池是一種不斷回收廢熱并產生電能的元件。由于能夠連續將熱量轉化為電能而不會產生副產物或消耗材料,因此對熱化學電池的研究正在增加。直到最近,熱化學電池的輸出和轉換效率還相對較低,因此尚未考慮應用程序開發。然而,由于各種構件和參數(例如電極材料,電解質,氧化還原活性材料和電池設計)的改進,熱化學電池的性能近來已顯著改善。

    在現代,石油資源的消耗正在加速增長,迫切需要增加可再生資源能源生產。工業或地熱過程產生的低級廢熱(低于200°C的廢熱)有望作為重要的發電能源。另一方面,在可向諸如醫療設備傳感器之類的小型便攜式電子設備供電的可穿戴設備領域中,對使用體溫的興趣正在增加。

    直到最近,熱能轉換的研究仍集中在固態熱電元件上。熱電元件由串聯連接的p型和n型半導體組成。當施加熱梯度時,材料中的電荷載流子(電子和空穴)擴散到低溫側,并且由于該電荷的積累而產生電勢差。這種現象稱為塞貝克效應,每單位溫度差產生的電勢差稱為塞貝克系數。通常,基于半導體材料的熱電裝置的電勢差小至μVK?-1,并且由于低溫下的低效率而具有不適于回收低級廢熱的問題。

    熱化學電池

    熱化學電池或熱電池是有望用于這種低等級熱能轉換的新設備。當存在溫度梯度時,熱化學電池可連續產生電能而不會發光或消耗材料。通過使用氧化還原活性電解質,熱電池可以產生大約mV K?-1的電勢差。作為低溫熱能回收的元素,這很有趣。

    本文概述了熱電池材料化學和電化學的最新進展,特別是新型氧化還原對,非水電解質和新型電極材料的開發。他還專注于電池設計的進展,并最終描述了改善熱電池性能的未來前景。

    熱化學細胞的基礎-能量和反應動力學

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    熱電池由包含氧化還原電對的電解質和連接到外部電路的兩個電極組成。當整個電池上出現溫度梯度時,由于氧化還原反應的溫度依賴性,氧化還原對在陽極側被氧化并在陰極側被還原。在熱電池中流動的電流中,還原劑通過對流和擴散而穿過電解質移動并到達陽極,并且氧化的物質被傳輸到陰極側。該反應是連續的,因為這一系列循環產生連續的反應。只要組分沒有分解,該反應理論上就可以無限期地繼續。

    電解質性能

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    離子液體和分子溶劑

    對熱電池的早期研究集中于水中的氧化還原對。由于離子擴散相對較快,因此水基電解質顯示出高輸出。迄今為止,xxx大的熱電池是用鐵氰化/亞鐵氰化水溶液制成的10,11。目前對電解質水溶液的研究集中在通過改善電極和電池設計來優化鐵氰化物/亞鐵氰化物的性能。9,10,27這將在第5章中進一步討論。水性電解質的問題是水的沸點,并且設備的工作溫度限制在100°C或更低。作為替代方案,該小組已研究了高沸點有機溶劑離子液體,并且擴大了工作溫度范圍。非水電解質的優點在于,除了較高的工作溫度外,還可以使用在水中不溶或不穩定的氧化還原對。

    在這方面,離子液體(IL)具有特別有利的性能。除了高沸點和低蒸氣壓之外,離子液體通常還表現出高離子傳導率和低導熱率。30,31此外,由IL帶來的獨特溶劑化環境會導致氧化還原/還原過程中的熵變大。這種塞貝克系數組合有望提高熱電池可實現的功率值。圖3示出了已經針對熱電池應用研究的一些IL結構和縮寫。

    電解質添加劑

    向電解質中添加其他化合物作為改善質量傳輸的方法已顯示出良好的結果。例如,由于基于諸如滲透網絡的形成和增加的離子對解離等因素,在基于咪唑鎓的IL中添加多壁碳納米管(MWCNT)降低了溶液的歐姆電阻。結果,當將CNT?添加到含有[C?3?mim] [NTf?2?]的電解質中時,在攪拌下輸出增加了30%。然而,當將0.1M Co?2 + / 3 +?bpy?3添加到[C?2?mim] [NTf?2?]時,輸出降低。這是因為當添加CNT時粘度增加了20%,超過了增加電導率的效果。在該組的另一項研究中,將CNT和聚(3,4-乙撐二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)都添加到了含有鐵氰化物/亞鐵氰化物電解質的靜態電池中。結果,熱電池的輸出增加了44。這是因為添加PEDOT:PSS降低了界面電荷轉移阻力,并且電解質中的電荷載流子數量增加,從而使輸出提高了約30%。

    一種有吸引力的方法是添加添加劑來改變系統熱力學,而不是改善質量傳輸性能。在這種方法中,使用依賴溫度的宿主-客體相互作用將α-環糊精添加到I- / I3-電解質中。在低溫下,I3-分子被α-環糊精包封,有效降低了氧化還原活性I3-物種的濃度,并使平衡氧化,將I-氧化為I3-。在高溫電極處,α-環糊精-I3-復合物解離,并促進了I3-的還原。此外,通過改變穿過膠囊的化學物質的平衡濃度,可以通過能斯特方程46增大整個電池上的電勢差。這種主客體相互作用將塞貝克系數從0.86增加到1.45 mV K-1。

    準固體電解質

    在許多不適合使用液體電解質的潛在熱電池應用中,尤其是那些可能發生電解質泄漏的應用,例如柔性和可穿戴設備。準固態電解質發展的最新研究旨在解決這個問題。術語“準固態”是指通常具有固體機械性能的固體(例如聚合物)和液體組分與較脆的無機物(例如AgI)的組合,AgI是早期工作的重點。與固體電解質不同。

    除了諸如柔韌性和防止泄漏的功能外,固體電解質還有助于消除對流,從而在整個電池上保持較大的熱梯度。使用各種不同的膠凝劑,例如纖維素,48個聚乙烯醇(PVA),49個瓊脂,50個或聚(丙烯酸鈉)珠,可以制造準固態電解質。最近開發了纖維聚合物基質和水溶性氧化還原活性物質(鐵氰化物/亞鐵氰化物)48。使用固化電解質時,主要考慮因素是避免限制氧化還原對的質量傳遞。從這個角度來看,隨著纖維素濃度的增加,凝膠的傳輸路徑受到更多的限制,產量降低(圖5)。但是,在最佳纖維素濃度(5 wt%)使傳質機械性能最大化的情況下,與水溶液體系相比,產量降低了約20%,導致14 mWm-2(0.06 Wm-2K-2)表示。兩塊帶有兩種不同電解質(鐵氰化物/亞鐵氰化物和三氯化鐵/氯化鐵水溶液)的電池,夾在柔性聚酰亞胺電極之間,并與膠凝有聚乙烯醇的金串聯連接使用了49。通過將它們與金/鉻串聯連接,鐵氰化/亞鐵氰化物水溶液和鐵/氯化鐵對具有相反的塞貝克系數(分別為-1.21和1.02 mVK-1)。可以產生更大的電位差。使用由兩個鐵氰化物/亞鐵氰化物和兩個鐵/氯化鐵單元組成的設備,xxx產量可達到24μWm-2K-2。盡管功率輸出相對較低,但這項研究表明,凝膠電解質可用于可穿戴應用。

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    詞條目錄
    1. 熱化學電池
    2. 熱化學細胞的基礎-能量和反應動力學
    3. 電解質性能
    4. 離子液體和分子溶劑
    5. 電解質添加劑
    6. 準固體電解質

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