Thermally rechargeable supercapacitors

The aim of this Thesis Work is to understand the behaviour of a supercapacitor subjected to a temperature gradient and the way in which this gradient can be used to charge the supercapacitor. The application of a temperature gradient to an electrolyte generates a drift motion of the ions, the cations and the anions having different thermal responses, a charge unbalance is generated and consequently a potential difference can be measured. This effect can be used to exploit a temperature difference to charge an electrode-electrolyte system, such as a battery or a supercapacitor. The origin of the ion's thermal drift are not completely clear as well as the inner mechanisms that take place during the thermal charging of a supercapacitor. Different theoretical approaches can be applied to study these phenomena, but the restricted literature present on this topic coerces to use simple methods, in order to compare the results to physical intuition. More profound knowledge of these systems could help in the development of better thermal energy conversion devices, which exploit low-temperature heat waste to produce carbon-free electrical energy. In this Thesis Work, I have analysed the thermal charging of a supercapacitor with analytical calculations, numerical simulations and equivalent circuits. Different approximations were made in order to describe a complex three-dimensional system, such it is a supercapacitor, with a computationally fast and conceptually effective one-dimensional model. The capacity and charging dynamics of a thermally rechargeable supercapacitor were theoretically explained. In particular, surprising analogies between the cases of electrical and thermal charging cycles were found through the development of an equivalent electrical circuit, that can effectively describe thermo-charged systems. With these results, some experimental observations were interpreted and the device was optimized to maximize its energy efficiency.

Obbiettivo di questo lavoro di Tesi è capire il comportamento di un supercapacitore sottoposto a un gradiente di temperatura e il modo nel quale questo gradiente può essere usto per caricare un supercapacitore. L’applicazione di un gradiente di temperatura a un elettrolita genera un moto di deriva degli ioni, avendo cationi e anioni riposte differenti ad effetti termici, si genera così uno sbilanciamento di carica e di conseguenza si può misurare una differenza di potenziale. Questo effetto può quindi essere usato per sfruttare una differenza di temperatura per caricare una sistema elettrodo-elettrolita, come una batteria o un supercapacitore. Le origini della deriva termica degli ioni non sono completamente chiare, così come non lo sono i meccanismi interni che accadono durante un ricarica termica di un supercapacitore. Diversi approcci teorici possono essere applicati allo studio di questo fenomeno, ma la scarsa letteratura in merito obbliga ad usare metodi semplici, per comparare i risultati con l'intuizione fisica. Una conoscenza più profonda di questi sistemi può aiutare nello sviluppo di migliori dispositivi per la conversione dell’energia termica, che sfruttino il calore di scarto a bassa temperatura per produrre energia elettrica carbon-free. In questo lavoro di Tesi, ho analizzato il caricamento termico di un supercapacitore con calcoli analitici, simulazioni numeriche e circuiti equivalenti. Sono state fatte diverse approssimazioni per descrivere un sistema tridimensionale complesso, tal’è un supercapacitore, con un modello monodimensionale veloce dal punto di vista computazionale e efficace da quello concettuale. Sono state spiegate la capacità e la dinamica di ricarica di un supercapacitore ricaricabile termicamente. In particolare, attraverso lo sviluppo di un circuito elettrico equivalente che possa descrivere sistemi termo-caricati, sono state trovate sorprendenti analogie tra il caso di ricarica elettrica e quello di ricarica termica. Con questi risultati alcune osservazioni sperimentali sono state interpretate e il dispositivo è stato ottimizzato per massimizzare la sua efficienza energetica.