Innovative Methode zur effizienten Nutzung von Niedrigtemperaturwärme zur Energiegewinnung.

Forscher der UNIST und der Nanyang Technological University haben ein Thermally Regenerative Electrochemical Cycle (TREC)-System entwickelt, das einen neuartigen Ansatz zur Umwandlung von Niedrigtemperaturwärme in verwendbare Energie bietet. Dieses System, das durch das Verständnis der Rolle von strukturellen Schwingungsmoden, insbesondere in Wassermolekülen, verbessert wird, zeigt Potenzial zur Verbesserung der Energieumwandlung bei kleinen Temperaturunterschieden. Solche Fortschritte in TREC-Systemen könnten den Einsatz von Niedrigtemperaturwärme in tragbarer Technologie und Sekundärbatterien revolutionieren.

Ein bahnbrechendes TREC-System, das von einem Forscherteam entwickelt wurde, wandelt Niedrigtemperaturwärme effizient in Energie um, indem strukturelle Schwingungsmoden genutzt werden. Dieser Fortschritt könnte die Energieumwandlung in tragbaren Technologien und Sekundärbatterien transformieren.

Ein Team von Forschern unter der gemeinsamen Leitung von Professor Hyun-Wook Lee und Professor Dong-Hwa Seo von der School of Energy and Chemical Engineering am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Zusammenarbeit mit Professor Seok Woo Lee von der Nanyang Technological University in Singapur hat bedeutende Fortschritte bei der Nutzung von Niedrigtemperaturwärmequellen (<100 °C) zur effizienten Energieumwandlung erzielt. Ihre bahnbrechende Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines hoch effizienten Thermally Regenerative Electrochemical Cycle (TREC)-Systems, das kleine Temperaturunterschiede in verwendbare Energie umwandeln kann.

Abbildung 1. Schema, das die unterschiedlichen Mechanismen einer Batterie und eines TREC-Systems zeigt. Während das Batteriesystem (links) einen Teil der gespeicherten Energie als nicht verwendbare Energie verliert, kann das TREC-System (rechts) Niedrigtemperatur-Abwärme in elektrochemische Energie während des Batteriezyklus umwandeln. Quelle: UNIST

Herkömmliche Energieernte-Systeme stehen vor Herausforderungen bei der effektiven Nutzung von Niedrigtemperaturwärmequellen. TREC-Systeme bieten jedoch eine attraktive Lösung, da sie die Funktionalität einer Batterie mit der Fähigkeit zur thermischen Energieernte integrieren. In dieser Studie untersuchte das Forschungsteam die Rolle struktureller Schwingungsmoden, um die Effizienz von TREC-Systemen zu verbessern.

Durch die Analyse, wie Änderungen in der kovalenten Bindung die Schwingungsmoden beeinflussen - insbesondere die strukturellen Wassermoleküle betreffen - entdeckten die Forscher, dass selbst geringe Mengen an Wasser starke strukturelle Schwingungen in den A1g-Streckmoden der Cyanidliganden verursachen. Diese Schwingungen tragen wesentlich zu einem größeren Temperaturkoeffizienten (ɑ) innerhalb eines TREC-Systems bei. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelte das Team ein hoch effizientes TREC-System unter Verwendung eines natriumbasierten wässrigen Elektrolyten.

Abbildung 2. Prinzip von TREC und Auswirkung von Wassermolekülen in einer PBA-Struktur. (Oben) Auswirkung der Entfernung von Wassermolekülen auf die CuHCFe-Struktur und Variation der Kovalenz (-ICOHP/eV). Die durchschnittlichen -ICOHP-Werte der Cu─N- und Fe─C-Bindungen sowie die Standardabweichung der -ICOHP-Werte von 6 Fe─C-Bindungen werden dargestellt. (Mitte) Auswirkung von Wassermolekülen auf die Streckvibramode der Cyanidliganden. (Unten) d) Menge der gewonnenen Arbeit als Ergebnis einer TREC-Vollzelle und einer Halbzelle. Die niedrige und hohe Temperatur beträgt jeweils 10 und 60 °C. Die Stromdichte der Vollzelle ist auf 0,5 C (30 mA g−1) basierend auf O/Cu-x eingestellt. Quelle: UNIST

"Diese Studie liefert wertvolle Erkenntnisse darüber, wie strukturelle Schwingungsmoden die Energieernte-Fähigkeiten von TREC-Systemen verbessern können", erklärte Professor Hyun-Wook Lee. "Unsere Ergebnisse vertiefen unser Verständnis für die von diesen Schwingungsmoden regulierten intrinsischen Eigenschaften von Preußisch Blau-Analoga und eröffnen neue Möglichkeiten für eine verbesserte Energieumwandlung."

Die Anwendungsmöglichkeiten von TREC-Systemen sind vielfältig, insbesondere in tragbaren Technologien und anderen Geräten, bei denen geringe Temperaturunterschiede vorliegen. Durch die effektive Erfassung und Umwandlung von Niedrigtemperaturwärme in verwendbare Energie bieten TREC-Systeme einen vielversprechenden Weg zur Entwicklung von Sekundärbatterien der nächsten Generation.

Professor Hyun-Wook Lee (links) und sein Forschungsteam an der School of Energy and Chemical Engineering in UNIST. Quelle: UNIST