Термогальванический элемент из гидрогеля преобразовал нагрев аккумулятора в электричество

Химики разработали термогальванический элемент на основе гидрогеля, который способен эффективно охлаждать аккумулятор за счет испарения воды и преобразовывать часть энергии в электричество. С помощью такого гидрогеля ученые смогли понизить температуру литий-ионного аккумулятора на 20 градусов Цельсия и выработать пять милливатт полезной мощности. Статья опубликована в журнале Nano Letters.

Электрические и энергетические устройства, как солнечные элементы, диоды и микропроцессоры, выделяют большое количество тепла в процессе своей работы. Это тепло требуется отводить от источника, чтобы избежать локального перегрева, который снизит эффективность работы устройства и срок его эксплуатации. Ученые пытаются решить проблему сочетания отвода лишнего тепла и преобразования этого тепла в полезную работу. Традиционные подходы к утилизации тепла — термоэлектрические модули — добавляют лишнее тепловое сопротивление, которое препятствует рассеянию тепла и увеличивает температуру внутри устройства. А для эффективных теплоотводов нужны энергозатратные вентиляторы и насосы. На сегодняшний момент эти конфликтующие процессы не могут быть достигнуты.

В последние годы ученые разработали термогальванические элементы в качестве эффективных дешевых утилизаторов тепла. Они состоят из двух инертных электродов и раствора электролита между ними. За преобразование энергии отвечает ионная миграция в растворе и изменение энтропии в зависимости от температуры при переходе электрона между окислительно-восстановительной парой и электродами. В отличие от термоэлектрических, в термогальванических элементах растворитель нужен только для поддержки ионного транспорта и окислительно-восстановительной реакции, а потому может быть удален из электролита без ухудшения эффективности термоэлектрических процессов. На основании этого растворителя можно сделать дополнительный термодинамический цикл, например, в водных электролитах вода может испаряться, унося с собой избыток тепла, и конденсироваться, восстанавливая свое изначальное состояние.

Цзюнь Чэнь (Jun Chen) с коллегами разработал умный термогальванический гидрогель, который способен конвертировать избыточное тепло в электричество и за счет испарения воды достигать эффективного охлаждения. Такой гидрогель самостоятельно абсорбирует воду из окружающей среды и полностью восстанавливается, а скорость испарения и конденсации ученые смогли варьировать с помощью толщины гидрогеля и концентрации бромида лития. Они проверили работоспособность такого гидрогеля на аккумуляторе смартфона и зафиксировали охлаждение на 20 градусов Цельсия в сравнении с аккумулятором без гидрогеля.

Химики обработали молекулы акриламида ультрафиолетовым светом, а затем выдерживали в растворе содержащем 0,1 моль гексацианоферратов (III и II) калия и 5,4 моля бромида лития до полного набухания полимера. Пара гексацианоферратов — классическая окислительно-восстановительная реакция между железом в степенях окисления +2 и +3— ответственна за термогальванический эффект, а бромид лития улучшает свойства гидрогеля поглощать воду из окружающей среды. По данным термогравиметрии при испарении воды масса гидрогеля сокращается до 40,4 процентов от изначальной.

В отличие от традиционных гидрогелей, новый термогальванический гидрогель не терял воду и оставался стабильным при комнатной температуре — за десять часов выдержки при 25 градусах Цельсия и 70 процентов влажности масса образца практически не изменилась. Такую устойчивость обеспечивает наличие бромида лития, который понижает давление насыщенных паров воды внутри гидрогеля. При концентрации бромида лития в 5,4 моля давление насыщенных паров воды внутри гидрогеля равно 2,22 килопаскаля (приблизительно 0,02 атмосферы), что и не позволяет при таких условиях воде испаряться из гидрогеля. Но не смотря на это, вода может испаряться и возвращаться в гидрогель адаптивно при повышении температуры — уже при 50 градусах Цельсия гидрогель от испарения воды теряет до 40 процентов массы, а затем при охлаждении до 25 градусов Цельсия сорбирует ее из окружающей среды за шесть часов.

Для изучения термогальванической способности гидрогеля химики создали разность температур между титановыми электродами в 10 и 20 градусов и получили плотность тока в 0,24 и 0,48 ампер на квадратный метр, соответственно. Термоэлектрохимический коэффициент Зеебека равен 1,2 милливольт на Кельвин, что очень близко к значению коэффициента раствора гексацианоферратов калия. Мощность термогальванического гидрогеля находится в пределах шести-двенадцати микроватт на метр на Кельвин в квадрате. Это слегка ниже значений лучших термогальванических ячеек, что авторы объясняют снижением подвижности ионов в гидрогеле. По мнению авторов статьи мощность можно увеличить, если использовать не титановые электроды, а слои аэрогеля из углеродных нанотрубок. В процессе испарения и сорбции воды гидрогель сохранял свои термоэлектрические свойства, несмотря на зависимость содержания воды в гидрогеле от температуры.

Чтобы проверить практическую пользу такого гидрогеля, химики приложили термогальванический элемент со слоем гидрогеля в два миллиметра к литий-ионному аккумулятору смартфона с емкостью в пять тысяч миллиампер-часов. В качестве внешнего электрода они использовали для лучшего испарения титановую сетку, а между аккумулятором и гидрогелем поместили титановую фольгу. При температуре окружающей среды в 26 градусов Цельсия и влажности воздуха в 80 процентов ученые провели сравнительный анализ температур аккумулятора при разных токах разрядки: восемь, девять, десять и одиннадцать ампер. Гидрогель снижал температуру аккумулятора на 6,5, 13,2, 15,7 и 20 градусов Цельсия, соответственно. При этом термогальванический элемент генерировал электрический ток, в лучшем случае при скорости разрядки в одиннадцать ампер получилось напряжение 14,5 милливольт с током в 1,4 миллиампера, что соответствует выработке полезной мощности в пять милливатт.

Гидрогели применяют не только в термогальванических элементах. Два года назад американские материаловеды использовали гидрогель в качестве преобразователя водяного пара за счет солнечной энергии. Таким образом можно получить до 23 литров пресной воды с одного квадратного метра поверхности за одни сутки.

Артем Моськин