[发明专利]热电电容器

说明书

本发明提供将热能转换为电能的装置及其制作方法。不对称热电化学电容器使用GO基正电极和蓄电池型负电极来开启操作电压窗口，并且提高放电容量以便以优良效率、快速热充电时间和稳定循环将低位热能转换为电能。热电化学装置包括碳基正电极、导电聚合物或金属有机框架作为负电极、集电器和多孔隔板。

技术领域

本发明实施例涉及热电化学电容器(TEC)，其将热能转换为电能，并且将低位热能转换与电荷存储相结合。

背景技术

低位热能(100°C)因其在环境中的充足可用性(例如太阳热能、地热能)以及来自工业过程的废热形式，预计将成为最可持续能源之一。全球的全部能量消耗的至少三分之一最终都是低位热能。2004年，美国能源部发布了一项研究，“工业环境中的工业损失降低和回收”，该研究发现可以从废热回收将近2万亿 BTU的能量。根据 美国能源部，废热的回收为行业提供每年大约$60亿的节省机会。

普遍存在的低位热能(100℃)通常未经利用就被浪费，而没有转换为可用电能。但是，转换仍然是大难题，因为由于低温差和热源的分布性质，将低位热能转换成电能是低效的。当前可用的热能-电能转换器在低位热能条件下操作的的性能和成本不值得广泛采用。热能-电能转换的普遍选择是热电(TE)半导体材料(例如Bi₂Te₃)，其通过温差进行工作，但是其在低位热能条件下操作时转换效率小于2%。电化学系统受到越来越多的关注，因为1 mV/K的塞贝克系数比TE材料(100-200 µV/K)高一个数量级。热电化学电池(TEC)通常成本较低，因为它们使用现成可用材料，而无需昂贵制作工艺。与TE发生器相似，TEC可以在温差下运行，以基于热与冷侧之间的温度相关的氧化还原电位将热能转换为电能。但是，由于电解质的离子导电率差其效率仅为0.2%~0.3%。另一种TEC方式是基于蓄电池系统中的温度相关的氧化还原电位或者电化学电容器系统中与温度相关的静电位来利用热循环以便将热能转换为电能，其中与热或冷贮存器的连接以循环交替进行。基于热循环的TEC在低位热能条件下循环时达到大约3%的良好效率，但是这样做需要在开始时使用外部电力以在每个循环中对电极强制充电，这使系统设计复杂化并且限制实际应用。

电化学系统中的“热充电”现象为通过加热操作将热能转换成电能，而不是使用热梯度或热循环，提供了节省成本的途径 (注意：一定量的能量必须用来保持良好温差，这通常不计入总体能量转换效率的计算)。

发明内容

使用氧化石墨烯(GO)基的正电极和蓄电池型负电极的不对称TEC可以实现超过3%的TEC转换效率，这高于低温条件下的TE发生器的转换效率。聚苯胺(PANI)的导电聚合物和铁氰化镍(NiHCF)的金属有机框架(MOF)可以用作蓄电池型负电极的活性材料。这个系统在70℃下加热时可以达到3-4.4 mV/K的高电化学塞贝克系数和200-350 mV的热电压。在高温下产生的电能可以在其温度下降到室温之后存储在装置(例如商用超级电容器)中。采用高电化学塞贝克系数、快速动力和低热容量的进一步优化可以导致将低位热能转换和电荷存储相结合的商业产品。

本发明的实施例提供了使用GO基正电极和蓄电池型负电极的不对称TEC，以开启工作电压窗口，并提高放电容量以将低位热能转换为电能，其具有优良效率、快速热充电时间和稳定循环。聚苯胺(PANI)的导电聚合物和铁氰化镍(NiHCF)的金属有机框架(MOF)可以用作负电极的活性材料。GO基的正电极的功函数和表面润湿性可以被调谐，以进一步增加热电压并且缩短热充电时间。实验结果证实低温条件下TEC转换效率高于TE发生器。

附图说明

图1(a)示出二电极TEC袋状电池配置的照片的简图和图像。

图1(b)示出TE温度循环器的简图和图像。

图2(a)示出对具有GO/CC和CC的TEC、具有GO/CC和PANI/TF的TEC以及具有GO/CC和NiHCF/TF的TEC在70℃下测量的OCP的图表。