CN112735852B - 基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统及方法，系统包括正电极、负电极、电解液以及隔膜，电解液位于正电极和负电极之间，隔膜平行于正电极和负电极设置于电解液中；给正电极加热，正电极与负电极温度不等，在两端温差作用下，实现热电转换和电量储存。本发明可在利用太阳热、工业废热等进行热电转换的同时将电以表面电荷的形式储存，同时本发明将氧化还原反应以及离子的嵌入脱出反应与双电层和赝电容相结合，在温差的驱动下，离子从热端迁移到冷端，在电极表面不仅形成双电层而且发生相应的氧化还原或者离子的嵌入脱出反应，极大地提高了系统的能力密度，提高了热电转换的效率。
Description
技术领域
本发明涉及热电转换及储电技术，具体涉及基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统及方法。
背景技术
余热利用作为一种节约能源、减少内耗、缓解能源短缺、温室效应、环境恶化等问题有效的途径和方法得到广泛关注。余热利用率提升空间大，节能潜力巨大，工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”，余热的高效利用成为推进节能减排工作的重要内容。回收废热的目的主要是提高能源和燃料效率的相关过程,防止燥热引起机械部件的故障,因此降低了运营成本,以及提供了一种方法利用额外的丰富的能源,如太阳能热能源,地热能源和海洋热能,以支持不断消耗化石燃料。
现有的发电技术，无论是利用太阳能进行的光伏发电，还是利用温差进行发电的其他热电技术如热电材料，都是只能将太阳能或者热量转换为不稳定的电而不能将电量储存。在这些发电装置将电量进行储存(如利用液流电池进行储存)的过程中，还存在一定能量的损失。冷、热、电多种需要储能的终端能源之间关联少，互相转化过程复杂且环节多、损失较大。与直接连接两个分离单元相比，集成系统可有效地提高整体效率。
因此如何设计一种可以集热电转换与储存一体的高效热电转换系统，在低品质热以及其他环境中有效的进行热电转换并进行能量的储存对于资源的有效利用、实现近零排放能源体系具有重大意义。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统。
本发明的另一个目的是提供一种基于上述系统的热电转换与储电的方法，可在利用太阳热、工业废热等进行热电转换的同时将电以表面电荷的形式储存。
技术方案：本发明的基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统，包括正电极、负电极、电解液以及隔膜，电解液位于正电极和负电极之间，隔膜平行于正电极和负电极设置于电解液中；通过给正电极加热，使正电极与负电极温度不等，在两端电极温差作用下，实现热电转换和电量储存。
优选的，热端电极材料为电池型电极材料，冷端电极材料为电容型电极材料，电容型电极材料包括双电层电容材料和赝电容材料，氧化还原反应包括离子的嵌入脱出反应与双电层或者赝电容相结合，在热电转换的同时将电量储存。
优选的，双电层电容材料为具有高比表面积的碳材料，为多孔碳、碳纳米管或石墨烯的一种或多种组合，赝电容材料为过渡金属氧化物或导电聚合物。
优选的，电池型电极材料为锂离子或钠离子电池的所有正极材料。
优选的，电解液为含有或者未含有添加剂的有机系电解液、水系电解液、超高浓度电解液或固态电解质。
优选的，添加剂为纳米粒子、氧化还原对或其他能够提高电解液性能的物质的一种或多种组合。
优选的，隔膜为质子交换膜或所有适用于超级电容器的隔膜材料。
本发明的一种基于混合型超级电容器的热电转换与储电的方法，该方法采用的系统包括正电极、负电极、电解液以及隔膜，电解液位于正电极和负电极之间，隔膜平行于正电极和负电极设置于电解液中；
热电转换与储电的方法为：给正电极加热，记为热端电极，负电极为冷端电极，热端电极和冷端电极温度不等；在温差的驱动下，电解液中的阳离子通过隔膜由热端电极向冷端电极迁移；在冷端电极表面，不仅形成物理吸附的双电层，而且在冷端电极表面以及内部发生离子的嵌入脱出反应或者氧化还原反应，使得冷端电极表面和热端电极表面电荷不等，发生热电转换，同时电量以表面电荷形式储存，并输出电压。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提出的热电转换与储电一体化系统，可在利用太阳热、工业废热等进行热电转换的同时将电以表面电荷的形式储存；可以在温差下，进行高效热电转换的同时将电量储存，同时该系统将氧化还原反应以及离子的嵌入脱出反应与双电层和赝电容相结合，在温差的驱动下，离子从热端迁移到冷端，在冷端电极表面不仅形成双电层而且发生相应的氧化还原或者离子的嵌入脱出反应，可以得到较高的开路电压和能量密度，提高了热电转换的效率；从而提高了对在余热、工业废热以及太阳热的有效利用。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明方法的原理流程图；
图中：1、热端电极，2、热电解液，3、冷端电极，4、冷电解液，5、电解质，6、导线，7、负载，8、阳离子，9、阴离子，10、质子交换膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。以下所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明的基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统，包括正电极、负电极、电解液以及隔膜，电解液位于正电极和负电极之间，隔膜平行于正电极和负电极设置于电解液中；给正电极加热，正电极附近的电解液中的阳离子通过隔膜向负电极迁移，实现热电转换，同时将电量储存。
如图1和图3所示，给正电极加热后，正电极变为热端电极1，负电极为冷端电极3，电解液包括电解质5和溶液，靠近热端电极的电解液为热电解液2，靠近冷端电极的电解液为冷电解液4，电解液中有阳离子8和阴离子9，正电极和负电极之间设有质子交换膜10，负载7通过导线6设置在热端电极和冷端电极之间。
热端电极材料为电池型电极材料，冷端电极材料为电容型电极材料，电容型电极材料包括双电层电容材料和赝电容材料。电池型电极材料为锂离子或钠离子电池的所有正极材料；双电层电容材料为具有高比表面积的碳材料，例如：多孔碳、碳纳米管或石墨烯的一种或多种组合，赝电容材料为过渡金属氧化物或导电聚合物。电解质溶液可以为含有或者未含有添加剂的有机系电解液、水系电解液、超高浓度电解液或固态电解质；添加剂为纳米粒子、氧化还原对或其他能够提高电解液性能的物质的一种或多种组合。隔膜为质子交换膜或所有适用于超级电容器的隔膜材料。
流程图和工作原理如图2和图3所示：一端电极被加热后，在温差的驱动下，阳离子从热端向冷端移动，在冷端电极表面，而且在电极表面以及内部发生离子的嵌入或者氧化还原反应，即：离子不仅与电极表面的碳活性材料形成物理吸附的双电层，而且与在电极表面以及内部的电池型活性材料发生离子的嵌入或者氧化还原反应，此时电子经外电路从热端电极到达冷端电极，由于上述两种效果的叠加，冷端电极化学势下降程度增加，电子更多的从外电路向冷侧迁移。温差去掉后，阳离子会迁移到热端，但是电极板的化学势不变，因此两端仍然存在压差。此时电量以表面电荷的形式储存在电极表面。与双电层超级电容器热充电系统相比开路电压极大地提高，且极大地提高了系统的能量密度，提高了热电转换的效率。从而提高系统在余热、工业废热以及太阳热利用中的性能。氧化还原反应包括离子的嵌入脱出反应与双电层或者赝电容相结合，在热电转换的同时将电量储存。
如图2和图3所示，采用上述系统的热电转换与储电的方法，具体为：给正电极加热，记为热端电极，负电极为冷端电极，热端电极和冷端电极温度不等；在温差的驱动下，电解液中的阳离子通过隔膜(质子交换膜)由热端电极向冷端电极迁移；在冷端电极表面，不仅形成物理吸附的双电层，而且在冷端电极表面以及内部发生离子的嵌入脱出反应或者氧化还原反应，使得冷端电极表面和热端电极表面电荷不等，发生热电转换，同时电量以表面电荷形式储存，并输出电压。
通过利用不同的电池型电极材料以及电容型电极材料进行系统性能的验证，通过测量系统在不同温差下的开路电压，对本发明进行了试验的验证。
实施例1：
混合型热充电超级电容器，具体实施方式为：
将适当比例的锰酸锂与导电炭黑的均匀混合物制作成为电池型电极，另一端电极使用活性炭分别放置在充满电解质溶液的容器中，对一端容器进行加热，冷端温度为T1，热端温度为T2，通过改变T1和T2可以获得不同的温差。当温差稳定时读取系统在不同温差下的开路电压。结果显示一端为电池型电极的混合型热充电超级电容器系统的开路电压>两端都是用活性炭为电极的系统的开路电压。
实施例2：
混合型热充电超级电容器，具体实施方式为：
将适当比例的锰酸锂、石墨烯和碳纳米管的均匀混合物制作成为电池型电极，另一端电极使用活性炭分别放置在充满电解质溶液的容器中，对一端容器进行加热，冷端温度为T1，热端温度为T2，通过改变T1和T2可以获得不同的温差。当温差稳定时读取系统在不同温差下的开路电压。结果显示一端为电池型电极的混合型热充电超级电容器系统的开路电压>两端都是用活性炭为电极的系统的开路电压。
实施例3：
混合型热充电超级电容器，具体实施方式为：
将适当比例的锰酸锂、石墨烯和碳纳米管的均匀混合物制作成为电池型电极，另一端电极使用多孔碳材料制备的电极，分别放置在充满电解质溶液的容器中，对一端容器进行加热，冷端温度为T1，热端温度为T2，通过改变T1和T2可以获得不同的温差。当温差稳定时读取系统在不同温差下的开路电压。结果显示一端为电池型电极的混合型热充电超级电容器系统的开路电压>两端都是用多孔碳材料为电极的系统的开路电压。
上述两端都是用活性炭为电极的系统和两端都是用多孔碳材料为电极的系统为现有的双电层超级电容器热充电系统。
Claims (4)
1.基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统，其特征在于，包括正电极、负电极、电解液以及隔膜，电解液位于正电极和负电极之间，隔膜平行于正电极和负电极设置于电解液中；通过给正电极加热，使正电极与负电极温度不等，在两端电极温差作用下，实现热电转换和电量储存；具体的：
给正电极加热，记为热端电极，热端电极材料为电池型电极材料，电池型电极材料为锂离子或钠离子电池的正极材料，负电极为冷端电极，冷端电极材料为电容型电极材料，电容型电极材料包括双电层电容材料和赝电容材料；电解液为含有或者未含有添加剂的有机系电解液、水系电解液或固态电解质；热端电极和冷端电极温度不等，在温差的驱动下，电解液中的阳离子通过隔膜由热端电极向冷端电极迁移；在冷端电极表面，不仅形成物理吸附的双电层，而且在冷端电极表面以及内部发生离子的嵌入脱出反应或者氧化还原反应，使得冷端电极表面和热端电极表面电荷不等，发生热电转换，同时电量以表面电荷形式储存，并输出电压。
2.根据权利要求1所述的基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统，其特征在于，双电层电容材料为具有高比表面积的碳材料，碳材料为多孔碳、碳纳米管或石墨烯的一种或多种组合，赝电容材料为过渡金属氧化物或导电聚合物。
3.根据权利要求1所述的基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统，其特征在于，添加剂为纳米粒子或氧化还原对。
4.根据权利要求1所述的基于混合型超级电容器的热电转换与储电的一体化系统，其特征在于，隔膜为质子交换膜。
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