Investigadores de UNIST y la Universidad Tecnológica de Nanyang han desarrollado un sistema de ciclo electroquímico regenerativo térmico (TREC) que proporciona una nueva forma de convertir el calor de baja calidad en energía utilizable. Este sistema, mejorado al comprender el papel de los modos vibratorios estructurales, particularmente en las moléculas de agua, muestra potencial para mejorar la conversión de energía con pequeñas diferencias de temperatura. Estos avances en los sistemas TREC podrían revolucionar el uso de calor de baja calidad en tecnología portátil y baterías secundarias.
El innovador sistema TREC desarrollado por un equipo de investigadores explota patrones de vibración estructural para convertir eficientemente el calor de baja calidad en energía. Este avance podría transformar la conversión de energía en tecnología portátil y baterías secundarias.
Un equipo de investigación codirigido por el profesor Hyun-Wook Lee y el profesor Dong-Hwa Seo de la Escuela de Energía e Ingeniería Química del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST), en colaboración con el profesor Seok Woo Lee de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, ha logrado un gran avance en la utilización de fuentes de calor de baja calidad (<100°C) para una conversión eficiente de energía. Su trabajo pionero se centra en el desarrollo de sistemas eficientes de ciclo electroquímico regenerativo térmico (TREC) capaces de convertir pequeñas diferencias de temperatura en energía utilizable.
Figura 1. Esquema que muestra los diferentes mecanismos de la batería y del sistema TREC. Mientras que el sistema de batería (izquierda) pierde parte de la energía almacenada como energía inutilizable, el sistema TREC (derecha) puede convertir la energía térmica residual de baja calidad en energía electroquímica durante el ciclo de la batería. Fuente de la imagen: UNIST
Los sistemas tradicionales de recolección de energía enfrentan desafíos a la hora de utilizar eficientemente fuentes de calor de baja calidad. Sin embargo, los sistemas TREC ofrecen una solución atractiva porque integran la funcionalidad de la batería con la recolección de energía térmica. En este estudio, el equipo de investigación profundizó en el papel de los modos de vibración estructural en la mejora de la eficacia de los sistemas TREC.
Al analizar cómo los cambios en los enlaces covalentes afectan los modos de vibración (afectando específicamente a las moléculas de agua estructurales), los investigadores descubrieron que incluso pequeñas cantidades de agua pueden inducir fuertes vibraciones estructurales en el modo de estiramiento A1g de los ligandos de cianuro. Estas vibraciones contribuyen significativamente al gran coeficiente de temperatura (ɑ) dentro del sistema TREC. Con base en estos conocimientos, el equipo diseñó e implementó un sistema TREC eficiente utilizando electrolito de agua con iones de sodio.
Figura 2. Principio TREC y la influencia de las moléculas de agua en la estructura del PBA. (Arriba) Efecto de la eliminación de moléculas de agua sobre la estructura de CuHCFe y cambios covalentes (-ICOHP/eV). Se dan los valores promedio de -ICOHP para bonos Cu─N y Fe─C y la DE de los valores -ICOHP para bonos 6 Fe─C. (Centro) Efecto de las moléculas de agua sobre los modos vibratorios de estiramiento de los ligandos de cianuro. (Abajo) d) Energía captada por TREC de celda completa y media celda. Las temperaturas mínima y máxima son 10 y 60°C respectivamente. Según O/Cu-x, la densidad de corriente de la celda completa se establece en 0,5 C (30 mAg-1). Fuente de la imagen: UNIST
"Este estudio proporciona información valiosa sobre cómo los modos de vibración estructural mejoran las capacidades de recolección de energía de los sistemas TREC", explicó el profesor Hyun-Wook Lee. "Nuestros resultados profundizan nuestra comprensión de las propiedades intrínsecas de los análogos del azul de Prusia que son modulados por estos modos vibratorios, abriendo nuevas posibilidades para mejorar la conversión de energía".
Las posibles aplicaciones del sistema TREC son muy amplias, especialmente en tecnología portátil y otros dispositivos donde existen pequeñas diferencias de temperatura. Al capturar eficientemente el calor de baja calidad y convertirlo en energía utilizable, los sistemas TREC ofrecen una vía prometedora para desarrollar baterías secundarias de próxima generación.