Des chercheurs de l’UNIST et de l’Université technologique de Nanyang ont développé un système de cycle électrochimique thermiquement régénératif (TREC), offrant une nouvelle approche pour convertir la chaleur de faible qualité en énergie utilisable. Ce système, amélioré par la compréhension du rôle des modes de vibration structurels, en particulier dans les molécules d’eau, montre un potentiel pour améliorer la conversion d’énergie à partir de petites différences de température. De telles avancées dans les systèmes TREC pourraient révolutionner l’utilisation de la chaleur de faible qualité dans les technologies portables et les batteries secondaires.
Un système TREC révolutionnaire développé par une équipe de chercheurs convertit efficacement la chaleur de faible qualité en énergie, en exploitant les modes de vibration structurelle. Cette avancée pourrait transformer la conversion d’énergie dans les technologies portables et les batteries secondaires.
Une équipe de chercheurs, dirigée conjointement par le professeur Hyun-Wook Lee et le professeur Dong-Hwa Seo de l’École de génie énergétique et chimique de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST), en collaboration avec le professeur Seok Woo Lee de Nanyang Technological Université de Singapour, a réalisé des percées significatives dans l’exploitation de sources de chaleur de faible qualité (<100 °C) pour une conversion énergétique efficace. Leurs travaux révolutionnaires se concentrent sur le développement d’un système de cycle électrochimique à régénération thermique (TREC) hautement efficace, capable de convertir de petites différences de température en énergie utilisable.
Figure 1. Schéma montrant les différents mécanismes d’une batterie et d’un système TREC. Alors que le système de batterie (à gauche) perd une partie de l’énergie stockée sous forme d’énergie inutilisable, le système TREC (à droite) peut convertir l’énergie thermique résiduelle de faible qualité en énergie électrochimique pendant le cycle de la batterie. Crédit : UNIST
Les systèmes conventionnels de récupération d’énergie sont confrontés à des défis lorsqu’il s’agit d’utiliser efficacement des sources de chaleur de faible qualité. Cependant, les systèmes TREC offrent une solution intéressante car ils intègrent la fonctionnalité de la batterie avec des capacités de récupération d’énergie thermique. Dans cette étude, l’équipe de recherche s’est penchée sur le rôle des modes de vibration structurels pour améliorer l’efficacité des systèmes TREC.
En analysant comment les changements dans les liaisons covalentes influencent les modes de vibration, affectant spécifiquement les molécules d’eau structurelles, les chercheurs ont découvert que même des quantités infimes d’eau induisent de fortes vibrations structurelles dans le mode d’étirement A1g des ligands cyanures. Ces vibrations contribuent considérablement à un coefficient de température (ɑ) plus élevé au sein d’un système TREC. Sur la base de ces informations, l’équipe a conçu et mis en œuvre un système TREC hautement efficace utilisant un électrolyte aqueux à base d’ions sodium.
Figure 2. Principe du TREC et effet des molécules d’eau dans une structure PBA. (En haut) Effet de l’élimination des molécules d’eau sur la structure du CuHCFe et la variation de covalence (-ICOHP/eV). Les valeurs moyennes -ICOHP des liaisons Cu─N et Fe─C et l’écart-type des valeurs -ICOHP de 6 liaisons Fe─C sont présentées. (Centre) Effet des molécules d’eau sur le mode de vibration d’étirement des ligands cyanure. (En bas) d) Quantité de travail récolté grâce au TREC à cellules entières et à demi-cellules. Les températures basses et hautes sont respectivement de 10 et 60 °C. La densité de courant de la cellule complète est fixée à 0,5 C (30 mA g−1) sur la base de O/Cu-x. Crédit : UNIST
« Cette étude fournit des informations précieuses sur la manière dont les modes de vibration structurelle peuvent améliorer les capacités de récupération d’énergie des systèmes TREC », a expliqué le professeur Hyun-Wook Lee. « Nos résultats approfondissent notre compréhension des propriétés intrinsèques des analogues du bleu de Prusse régulées par ces modes de vibration, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour une conversion d’énergie améliorée. »
Les applications potentielles des systèmes TREC sont vastes, en particulier dans les technologies portables et autres dispositifs où existent de faibles différences de température. En capturant et en convertissant efficacement la chaleur de faible qualité en énergie utilisable, les systèmes TREC offrent une voie prometteuse vers le développement de batteries secondaires de nouvelle génération.
Professeur Hyun-Wook Lee (à gauche) et son équipe de recherche à l’École de génie énergétique et chimique de l’UNIST. Crédit : UNIST
Cette recherche a reçu le soutien du Fonds de recherche 2023 de l’UNIST, du Programme individuel de recherche fondamentale en sciences et en ingénierie et du Centre national de données de recherche sur les matériaux par l’intermédiaire de la Fondation nationale de recherche (NRF) de Corée, financé par le ministère des Sciences et des TIC (MSIT). ).
Abstrait
La majorité de l’énergie thermique résiduelle existe sous forme de chaleur de faible qualité (<100 °C), extrêmement difficile à convertir en énergie utilisable à l’aide de systèmes conventionnels de récupération d’énergie. Les cycles électrochimiques thermiquement régénératifs (TREC), qui intègrent des fonctionnalités de batterie et de récupération d’énergie thermique, sont considérés comme un système attrayant pour la récupération de chaleur de faible qualité. Ici, le rôle des modes de vibration structurels dans l’amélioration de l’efficacité des systèmes TREC est étudié. L'impact des changements dans la covalence de liaison, influencés par le nombre de molécules d'eau structurelles, sur les modes de vibration est analysé. On découvre que même de petites quantités de molécules d’eau peuvent induire le mode d’étirement A1g des ligands cyanure avec une forte énergie de vibration structurelle, ce qui contribue de manière significative à un coefficient de température (ɑ) plus élevé dans un système TREC. Tirant parti de ces informations, un système TREC hautement efficace utilisant un électrolyte aqueux à base d'ions sodium est conçu et mis en œuvre. Cette étude fournit des informations précieuses sur le potentiel des systèmes TREC, offrant une compréhension plus approfondie des propriétés intrinsèques des analogues du bleu de Prusse régulées par les modes de vibration structurels. Ces informations ouvrent de nouvelles possibilités pour améliorer les capacités de récupération d’énergie des systèmes TREC.
