Science：水系热化学电池实现11.1%的相对卡诺循环效率

来源：科匠学术

近日，国际著名期刊Science以First Release的形式刊发了武汉光电国家研究中心周军教授团队最新研究成果。题目为“Thermosensitive-crystallization boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”。该研究工作第一署名单位为华中科技大学武汉光电国家研究中心，博士生余帛阳、段将将副教授为共同第一作者，周军教授为通讯作者。此外，论文合作者还包括武汉大学化学与分子科学学院丛恒将副教授、周军教授团队多名研究生（谢文科、柳容、庄欣妍、王卉、齐备）、华中科技大学材料科学与工程学院徐鸣教授，以及中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士等（图1）。

图1. 发表信息。

低品位热能（<100℃）广泛存在于自然环境和工业生产过程中，包括环境热（太阳光热、地热）、工业废热以及人体热等，但由于缺乏经济高效的能源回收技术，该部分能量基本被废弃。水系热化学电池被认为是一种低成本、易放大的热电转换技术。据预测，热化学电池的相对卡诺循环效率若达到5%以上即有望实现商业化应用，但至今仍无法跨过这一门槛（此前最高相对卡诺循环效率为~3.95%）。水系热化学电池相对卡诺循环效率与塞贝克系数、热导率以及电导率三个参数紧密关联。例如，增大塞贝克系数、提高电导率或降低热导率均可提升电池转化效率。然而，这三个参数之间强耦合，难以实现协同优化，使得热化学电池效率的提升存在巨大挑战。在前期研究工作中，周军教授团队以K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6水系热化学电池基准体系作为研究对象，通过特异性配体协同调控氧化还原对溶剂化结构，获得了热化学电池领域最高塞贝克系数4.2 mV K-1（Nat. Commun. 2018, 9, 5146）。在此工作基础上，该团队提出利用热敏性晶体材料诱导可持续离子浓度梯度的科学思想（图2A），实现了塞贝克系数和有效热导率的协同优化，获得了目前热化学电池领域最高相对卡诺循环效率11.1%（图2B）。

图2. 低成本、高效热化学电池（A）热敏性结晶材料诱导可持续溶度梯度示意图；（B）本工作与文献报道相对卡诺循环效率比较图；（C）器件模组为智能手机充电，左上插图为器件模组的光学照片。

通常，在封闭体系下离子浓度梯度为不可持续的热力学非平衡态，必然会通过自发扩散过度到离子均匀分布的热力学平衡态。该团队发现，胍离子与亚铁氰根离子结合会形成一种全新的热敏性晶体材料——亚铁氰钾胍水合物（K2(C(NH2)3)2Fe(CN)6 · 6H2O）。该材料具有低的晶格能以及高的溶解熵，展现出优异的溶解度温敏性。由于热敏性晶体材料的引入，在有温差存在的情况下，可以在器件的热冷两端形成稳定的亚铁氰根离子浓度梯度。例如，在50 ℃温差条件下，亚铁氰根离子浓差可达47倍，相应塞贝克系数从基准体系的1.4 mV K-1提升至3.73 mV K-1。此外，由于器件热端还存在大量未溶解的晶体沉淀物，从而可极大地抑制溶液对流，大幅降低有效热导率。基于以上两点原因，实现了热化学电池相对卡诺循环效率的大幅度提升。进一步地，该团队还开发出热化学电池模组原型，在50 ℃温差条件下驱动了多种商业化电子器件，并实现为智能手机充电（图2C），证实水系热化学电池具有广阔的应用前景。

图3. 武汉光电国家研究中心周军教授团队合照。

该研究工作受到国家自然科学基金（51672097）、中组部青年拔尖人才支持计划、华中科技大学学术前沿青年团队、武汉光电国家研究中心主任基金等经费支持。在研究过程中，还得到了复旦大学许宁生院士、中山大学邓少芝教授、武汉大学邓鹤翔教授、华中科技大学唐江教授、同济大学裴艳中教授和美国加州大学洛杉矶分校陈俊助理教授等人的帮助。

Authors: Boyang Yu†, Jiangjiang Duan†, Hengjiang Cong, Wenke Xie, Rong Liu, Xinyan Zhuang, Hui Wang, Bei Qi, Ming Xu, Zhong Lin Wang, and Jun Zhou*

Title: Thermosensitive crystallization–boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting

Published in: Science, doi: 10.1126/science.abd6749.