上海硅酸鹽所團隊等發表評述低品位熱能利用技術論文

2021年1月22日 15:14:12 來源: 上海硅酸鹽研究所
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  人類的生產、生活活動中較多的能量以廢熱形式排放至環境中,其中,在室溫附近存在大量溫差在幾十甚至幾度以內的低品位熱能。對此類熱能進行回收再利用可有效提高能源的綜合使用效率,有望廣泛應用于通訊電子、醫療健康等領域,成為改變人類未來生活的關鍵性技術之一。熱電技術、熱離子電容器和熱電池是三種典型的低品位熱能利用技術,雖然它們均利用溫差(ΔT)產生輸出電壓(ΔVD)進而驅動外部回路中的電子做功,工作原理卻不盡相同。ΔVD/ΔT作為主要性能指標之一,常用來評價這三種能量轉換技術的優劣;即使ΔVD/ΔT與熱電勢的單位相同,但很多時候它們的物理內涵不相同,將它們等同并與性能評價簡單關聯,導致了一些基本概念的混淆和性能評價上的偏頗。

  近期,中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員史迅與美國克萊姆森大學教授Jian He在Science上,發表了題為Thermopower and harvesting heat A metric to compare low-grade heat-to-electricity conversion can be misleading的評論文章,闡述了熱電勢的物理內涵和熱電、熱離子電容器及熱電池的工作原理,提出熱電勢不能用于這三種技術的性能評價普適參數,應針對不同工作原理采用相應的評價標準。

  熱電勢是材料的一種物理參數,源于材料的Seebeck效應。在電子導體兩端施加溫差ΔT,驅動帶電載流子從熱端擴散到冷端,導體兩端的開路電壓ΔVM即為ΔT誘導的電化學勢差,定義ΔVM/ΔT為該材料的熱電勢,其數值在μV/K量級。熱電勢的符號取決于材料中主要載流子的導電類型,其大小與每個載流子電荷的平均熵相關。類似地,離子熱電勢來自溫差下離子導體中離子從熱端至冷端擴散導致的濃度梯度(即Ludwig-Soret效應),其數值在mV/K量級。

  Seebeck和Soret效應是材料本征的物理效應,分別基于兩種效應集成的熱電器件和熱離子電容器具有更豐富的內涵,而非組成材料的簡單累加。熱電器件中輸出電壓ΔVD主要取決于材料自身產生的ΔVM,然而,熱離子電容器的輸出電壓ΔVD不僅來自材料產生的ΔVM,還與離子/電子在電極處的相互作用密切相關。熱電池的輸出電壓ΔVD則更復雜,主要包括電解液中離子的熱擴散(物理過程)和兩端電極處的氧化/還原化學反應導致的電勢差(化學過程)。這三種技術的ΔVD/ΔT存在本質區別,對它們的數值大小進行簡單比較、或利用ΔVD/ΔT計算熱電優值來評價熱離子電容器和熱電池中電解液的性能并不正確。

  熱電技術和熱電池可連續工作,功率密度與能量密度的物理內涵一致,通常采用功率密度作為性能評價參數。熱離子電容器間斷性工作,與常規電容器類似,功率密度的物理內涵不同于能量密度,兩者均是主要的性能評價參數。雖然熱離子電容器和熱電池的ΔVD/ΔT高達mV/K量級,但過高的內阻導致其歸一化功率密度數量級低于熱電技術。減小電極間的距離以獲得較小的內阻雖已運用于常規的電容或電池中,但在熱離子電容或熱電池中會阻礙甚至消減電極間溫差的建立。此外,熱離子電容器的功率密度和能量密度低于常規的電容器及電池。

  這些顯著的性能差別,一方面來自工作驅動力的差異,常規電容器和電池的離子驅動力在eV量級,而低品位熱能技術的驅動力來自小溫差,其大小在meV量級;另一方面與能量轉換過程的復雜程度相關,能量轉換的總效率受制于每步的效率及它們之間的耦合。熱電技術的能量轉換過程較簡單,僅有一步,即溫差驅動的載流子擴散;熱離子電容器的能量轉換過程包括兩步,即溫差驅動的離子擴散、電極處聚集的離子和電子的相互作用。熱電池中的能量轉換過程較復雜,包括溫差驅動的離子遷移、化學反應誘導的離子濃度梯度建立、電極處的氧化還原反應、電解液與電極的相互作用等。理解這三種低品位熱能利用技術的工作原理與不同機制,對相關研究具有重要意義。

  研究工作得到國家自然科學基金的資助;論文撰寫過程獲得上海硅酸鹽所副研究員仇鵬飛和瞿三寅、研究員陳立東以及美國克萊姆森大學Dr. Don Liebenberg的支持和幫助。

圖1.熱電器件、熱離子電容器和熱電池的工作原理示意圖。熱電器件依賴于p/n型熱電材料中載流子從熱端向冷端的擴散(左圖);熱離子電容器依賴于電解液中陽離子和陰離子的分離(中圖);熱電池依賴于電解液中不同價態離子和電子的循環(右圖)

圖2.不同溫差下熱電器件、熱離子電容器和熱電池的歸一化功率密度(左圖);熱離子電容器和代表性儲能技術的功率密度和能量密度(右圖)

本文來源: 上海硅酸鹽研究所
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