宣益民院士/张校刚Nat. Commun.: 锌离子热充电电池实现低品位热转换和储能

将来自环境的低品位热能转化为电能，对于缓解能源危机和调整能源配置具有极大的可持续性。然而，当采用半导体时，热充电装置通常会遭受较差的转换效率。因此，必须进一步设计和考虑具有增强性能的新型热充电电池。

在此，南京航空航天大学宣益民院士及张校刚教授等人打破热电系统的传统，提出并展示了一种新的锌离子热充电电池（ZTCC），通过插层正极（VO₂-多孔碳（PC））的热提取/插层和热扩散过程以及锌负极的剥离/电镀行为实现高性能低品位热转换和Zn²⁺存储。值得一提的是，PC中均匀分布的VO₂提供了丰富的电活性位点，为Zn²⁺存储提供了高容量和快速的动力学。

此外，碳基体可以充当电荷传输的连续路径和电解液离子扩散的通道。因此，VO₂-PC可以实现12.5 mV K^-1的高热电势，有利于热电效应（Thermogalvanic Effect）和热扩散效应（Thermodiffusion Effect）的协同作用。

图1. ZTCC的构建和性能

此外，概念验证装置显示出令人满意的应用潜力，可用于从废热中获取能量。ZTCCs在45 K的温差下表现出约1 V的高输出电压和创纪录的1220 μW输出功率以及0.95% 的转换效率（相对卡诺效率为7.25%）。

其中，VO₂ -PC表现出优异的锌离子存储行为，例如高比容量（588 mAh g^-1@ 0.1 A g^-1）、良好的倍率性能（80 mAh g^-1@ 20 A g^-1）及超过50000次循环的令人印象深刻的循环稳定性。此外，两个串联的可穿戴ZTCC在电子领域展示了高可用性和耐用性。所有研究结果都证实，所提出的ZTCC将成为有前途的低品位能量转换和存储的潜在候选者，对相关机制的详细研究可能为锌基器件的开发提供深刻的见解。

图2. 可穿戴ZTCC的示意图及性能

Zinc ion thermal charging cell for low-grade heat conversion and energy storage, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-021-27755-x

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