随着电子设备近年来的快速发展，其性能得到大幅度提升，但电子设备在运行过程中会产生大量的低品位热能（<100 °C），导致设备内部热量积聚和局部过热。如果无法及时散热，可能会减慢设备的运行速度、损坏其中的组件，甚至发生过热着火。另外，低品位热能也广泛存在于自然环境和工业生产过程中。但由于缺乏经济高效的能源回收技术，该部分能量基本被废弃。近日，新加坡国立大学王庆教授团队报道了一种基于氧化还原靶向反应的液流电池（Redox targeting-based flow battery, RT-FB）通过热驱动的再生电化学循环（Thermally regenerative electrochemical cycle, TREC）能将低品位热能高效地转化为电能。相关成果发表在Advanced Materials上，新加坡国立大学博士生张航和博士后张霏霏为该文的共同第一作者，王庆教授为该文的通讯作者。
图1. 基于氧化还原靶向反应和热驱动再生电化学循环的液流电池示意图
不同于传统的静态电池和液流电池只在每个电极上发生一个电化学反应，RT-FB中的氧化还原媒介分子[Fe(CN)6]3-/4-会先在电极上发生电化学反应，反应后再与储能罐中的高比容量的固体储能材料(Ni0.2Co0.8OH)发生化学反应。由于Fe(CN)63-/4-和Ni0.2Co0.8OH有相同的电位，[Fe(CN)6]3-/4-和Ni0.2Co0.8OH可以实现由能斯特电势驱动的可逆的氧化还原靶向反应。储液罐中的高比能固体材料作为主要的储能介质，从而解决[Fe(CN)6]3-/4-的溶解度较低导致体积比容量低的问题。另外，[Fe(CN)6]3-/4-和Ni0.2Co0.8OH均具有负的温度系数，即在高温时有更低的电位，而低温时电位更高。基于温差原电池原理，[Fe(CN)6]3-/4-和Ni0.2Co0.8OH通过TREC可将热能高效转化为电能。因此，RT-FB不但打破了固相储能与液相储能的之间的界限，而且保持了液流电池工作灵活性的特点。相比于传统的静态电池，不断流动的电解液能够更好的从热源收集热能，而储能罐中高比容量和高温度系数的固体储能材料，可以进一步提高整个体系的能量密度和热电转化效率。以锌金属作为电池的负极，该RT-FB在25-55 ℃的温度区间内可达到3.61%的热电转化效率。
基于以上的实验和理论研究，该课题组提出了一种新型的太阳能转换和存储系统，该系统集成了商用硅光伏电池板和RT-FB。在白天太阳光照射下，太阳能板不断发电并且实时存储到RT-FB中。一般地，商用硅光伏电池板只能将一小部分吸收的太阳光转化为电能，而其余的辐射则变成了热量不断提高太阳能电池板的温度，导致其光电转换效率降低。而在太阳能板的背面循环流动的RT-FB电解液可以带走其热量，增加其光电转化效率和使用寿命。同时太阳能板的热量也会导致RT-FB中电解液的温度上升。由于RT-FB 具有负的温度系数，太阳能板以较低的电压为RT-FB充电。到了晚上，整个系统冷却下来，RT-FB在低温下以较高的电压将白天存储的太阳能和热能以电能的形式输送到电网。因此，该体系可以同时实现即时太阳能存储，光电效率的增强以及高效的热电转化，为更加高效地利用太阳能提供了新思路。此外，具有正温度系数的RT-FB可以类似的方式应用于高性能的芯片或者大规模的数据中心，可同时实现冷却、供电和废热利用（类似于IBM提出的“电子血液”的概念）。
图3. 基于RT-FB和TREC的新型太阳能转换和存储系统
Redox Targeting‐Based Thermally Regenerative Electrochemical Cycle Flow Cell for Enhanced Low‐Grade Heat Harnessing
Hang Zhang, Feifei Zhang, Juezhi Yu, Mingyue Zhou, Wei Luo, Yann Mei Lee, Mayan Si, Qing Wang
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202006234
王庆，新加坡国立大学材料科学与工程系副教授，长期从事电化学和光电化学系统中介观电荷转移、传输的基础研究，及其在新型能量转换器件和储能装置中的应用研究。提出并发展了基于氧化还原靶向反应的新型高能量密度液流电池。
https://www.x-mol.com/university/faculty/215047
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