【热化学电池】徐浩兰EcoMat：用于收集利用太阳辐射和光热界面蒸发系统中低品位热能的基于水稻秸秆纤维气凝胶的可再生热化学电池

研究背景

低品位热能（T<130C）是一种广泛存在于人类活动和自然环境中的能量形式。在环境中以太阳光的热辐射为例，是一种尚未被充分利用的绿色可持续能源。近年来太阳能光热能量也被广泛应用于光热蒸发海水淡化中。在这个过程中，蒸汽的冷凝会释放等价于输入光热能的潜热，而这部分释放的热能最终会耗散到周围环境中去。高效回收这类低品位热能并转换为电能是一种解决能源短缺和降低碳排放的极具潜力的策略。传统的固态热电材料对高温热源具有优异的能量转换效率，但对于低品位热能的转换不够理想。热电化学电池由于其价格低廉，高塞贝克系数，且对低品位热能有较好的转换效率而受到较多关注。热化学电池转换产生的电压与电解质的塞贝克系数和电池两端的温度差密切相关。在热能回收过程中，不可避免的热辐射以及热传递导致热电化学电池难以维持稳定的温度差，从而降低能量转换效率。因此，提高并维持热电化学电池两端的温差对提高能量转换效率和实际应用有重要的意义。

成果简介

南澳大利亚大学的徐浩兰教授团队报道了在热电化学电池（TEC）中引入多孔气凝胶作为电解液载体，并通过优化电池结构和能量管理的策略实现了长时间稳定回收低品位热能并转换为电能（图1）。利用近乎零成本的水稻秸秆制备出具有多孔低热导性的纤维素气凝胶有效地抑制了TEC冷热端之间的热量传递，并通过降低热端热辐射能量损失和增强冷端热辐射的结构优化方式进一步提高热能的合理利用，实现了电极两端的稳定温度差。所组装的单个TEC单元在一个太阳光照强度下能够产生6.94 mW m-2的功率密度并连续稳定运行超过8小时；在运行时间超过70小时，并储存放置超过18个月后仍能保持原有输出功率密度，体现了极高的稳定性。由多个单元串联的电池组不仅具有回收太阳光辐射热量的能力并且能够在封闭光热水蒸发装置中回收蒸气冷凝中释放的潜热并将其转换为电能（图2）。经估算，单个TEC 材料成本仅为0.052美元。图 1 （a）稻秆纤维气凝胶用于TEC回收低品位热能的示意图；（b-e）稻秆纤维气凝胶的制备过程，照片和扫描电镜照片。

图 2 (a) TEC电池组的结构示意图；（b）TEC电池组装置用于户外太阳光辐射热回收的照片；（c-e）TEC电池组用于光热蒸发设备中潜热回收装置的照片，电压和功率输出的结果。

文章信息

Jingyuan Zhao, Xuan Wu, Huimin Yu, Yida Wang, Pan Wu, Xiaofei Yang, Dewei Chu, Gary Owens, Haolan Xu,* Regenerable aerogel-based thermogalvanic cells for efficient low-grade heat harvesting from solar radiation and interfacial solar evaporation systems, EcoMat, 2022；e12302.

原文链接：

https://doi.org/10.1002/eom2.12302

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