华科大《Science》：将废热用来发电，刷新世界纪录！

一、研究背景

大量的低品位热量(373 K以下)分布在工业过程(余热)、环境(太阳热能和地热能)和人体中。目前的能源回收技术是不经济的，热电装置的性能评估主要是分析设备的品质因数(Z = Se²σ/κ)，可以看出，这取决于塞贝克系数(Se),电导率(σ),和热导率(κ)。在热电材料中，传统的固态热电电池是研究最深入的。然而，其效率在室温附近一直仅略有进展。另外，液态热电电池(LTC)提供更多的方法来解除σ与κ之间的相互制约关系。此外，LTC价格低廉，可大规模制备，并且在捕获低品位热能方面具有潜在的商业可行性，但应用前提是其能量相对效率能达到~5%。但目前即使使用理想的实验室设备，也很难达到这个值。

二、研究成果

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心周军教授团队通过使用热敏结晶和溶解过程来诱导一个持久的浓度梯度氧化还原离子，实现一个高度增强的塞贝克系数(~3.73毫伏每开尔文)，并抑制LTCs中热导率。因此，接近室温的LTCs达到了11.1%的相对卡诺循环效率。作者通过设备演示为这种液态热电电池进行低成本的热量收集提供了应用实例。这项研究以“Thermosensitive crystallization–boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/370/6514/342?rss=1

图1. TC-LTC中塞贝克效应的结晶诱导增强分析

图2. 各种添加剂引起的TC-LTC中塞贝克效应的增强

图3 TC-LTC的热电性能研究

图4  发电和使用TC-LTC模块为电子设备供电的演示

总而言之，不同于以往的LTC策略增强Se但牺牲σ_eff，这项研究基于热敏结晶TC-LTC策略协同增强Se和减少κ_eff但不牺牲σ。在单电池的相对效率(11.1%)和电流密度(416 A m²)方面取得了很好的性能。在50 K温差下获得了高功率密度(6.86 W m²)。这些例子表明，LTCs可能是收集低品位废热的可行技术。这种方法可以扩展到其他LTC系统，通过使用相应氧化还原物质的热敏晶体。以及其他热能采集系统，包括热再生电化学循环和直接热充电电池。（文：one end）