Pesquisadores da UNIST e da Universidade Tecnológica de Nanyang desenvolveram um sistema de ciclo eletroquímico regenerativo térmico (TREC) que fornece uma nova maneira de converter calor de baixa qualidade em energia utilizável. Este sistema, aprimorado pela compreensão do papel dos modos vibracionais estruturais, particularmente nas moléculas de água, mostra potencial para melhorar a conversão de energia em pequenas diferenças de temperatura. Tais avanços nos sistemas TREC poderiam revolucionar o uso de calor de baixa qualidade em tecnologia vestível e baterias secundárias.
O inovador sistema TREC desenvolvido por uma equipe de pesquisadores explora padrões de vibração estruturais para converter eficientemente calor de baixa qualidade em energia. Este avanço poderia transformar a conversão de energia em tecnologia vestível e baterias secundárias.
Uma equipe de pesquisa co-liderada pelo Professor Hyun-Wook Lee e pelo Professor Dong-Hwa Seo da Escola de Energia e Engenharia Química do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), em colaboração com o Professor Seok Woo Lee da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura, alcançou um grande avanço na utilização de fontes de calor de baixo grau (<100°C) para conversão eficiente de energia. Seu trabalho pioneiro concentra-se no desenvolvimento de sistemas eficientes de ciclo eletroquímico regenerativo térmico (TREC), capazes de converter pequenas diferenças de temperatura em energia utilizável.
Figura 1. Esquema mostrando os diferentes mecanismos da bateria e do sistema TREC. Enquanto o sistema de bateria (esquerda) perde parte da energia armazenada como energia inutilizável, o sistema TREC (direita) pode converter energia térmica residual de baixa qualidade em energia eletroquímica durante o ciclo da bateria. Fonte da imagem: UNIST
Os sistemas tradicionais de coleta de energia enfrentam desafios na utilização eficiente de fontes de calor de baixo grau. No entanto, os sistemas TREC oferecem uma solução atraente porque integram a funcionalidade da bateria com a captação de energia térmica. Neste estudo, a equipe de pesquisa investigou o papel dos modos de vibração estrutural no aumento da eficácia dos sistemas TREC.
Ao analisar como as mudanças nas ligações covalentes afetam os modos vibracionais (afetando especificamente as moléculas estruturais de água), os pesquisadores descobriram que mesmo pequenas quantidades de água podem induzir fortes vibrações estruturais no modo de estiramento A1g dos ligantes de cianeto. Estas vibrações contribuem significativamente para o grande coeficiente de temperatura (ɑ) dentro do sistema TREC. Com base nesses insights, a equipe projetou e implementou um sistema TREC eficiente usando eletrólito de água com íon sódio.
Figura 2. Princípio TREC e influência das moléculas de água na estrutura do PBA. (Topo) Efeito da remoção de moléculas de água na estrutura do CuHCFe e nas alterações covalentes (-ICOHP/eV). Os valores médios de -ICOHP para ligações Cu─N e Fe─C e o SD dos valores -ICOHP para 6 ligações Fe─C são fornecidos. (Centro) Efeito das moléculas de água nos modos vibracionais de alongamento dos ligantes de cianeto. (Inferior) d) Energia colhida por TREC célula completa e meia célula. As temperaturas baixa e alta são 10 e 60°C, respectivamente. Com base em O/Cu-x, a densidade de corrente da célula completa é definida como 0,5C (30mAg−1). Fonte da imagem: UNIST
“Este estudo fornece informações valiosas sobre como os modos de vibração estrutural melhoram as capacidades de captação de energia dos sistemas TREC”, explicou o professor Hyun-Wook Lee. “Nossos resultados aprofundam nossa compreensão das propriedades intrínsecas dos análogos do azul da Prússia que são moduladas por esses modos vibracionais, abrindo novas possibilidades para uma melhor conversão de energia”.
As aplicações potenciais do sistema TREC são muito amplas, especialmente em tecnologia vestível e outros dispositivos onde existem pequenas diferenças de temperatura. Ao capturar eficientemente calor de baixa qualidade e convertê-lo em energia utilizável, os sistemas TREC oferecem um caminho promissor para o desenvolvimento de baterias secundárias de próxima geração.