能源革新:室温下热电发电即将到来?

科技工作者之家 2017-12-28

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▲网络配图

热电(TE)材料将在未来技术中扮演重要角色。尽管有关TE材料的应用研究已经历时颇长,但大多局限于高温设备。近日,大阪大学与日立公司合作,研发了一种新型的TE材料,在室温下也具备较好的功率因数。该新型材料可能将打破高温的限制,使其进入更广泛的应用领域。相关研究结果刊载于《固体物理》中。

TE材料的热电效应是这样显现的:一侧加热,电流开始流动。反之,在设备中通入外电流,材料将出现温度梯度——一侧比另一侧温度更高。通过热与电之间的转换,TE材料可以作为发电机(外加热源),也可以作为冷却机(外加电源)。

理想的TE材料应该不仅具备高导电性(电流通过顺畅),还应该具有较低的导热系数(防止温度梯度消失)。发电机性能主要取决于功率因数,该因数与电导率和塞贝克系数(半导体材料的温差电动热)成正比。“然而遗憾的是,大多数TE材料都基于稀有或有毒元素。”研究人员Sora-at Tanusilp讲道,“为了解决这一问题,我们将TE材料中的常见元素——硅,和镱一起,制造了硅化镱(YbSi2)。我们选择镱主要基于这几个原因:首先,镱类化合物具有良好的导电性能;其次,YbSi2是无毒的。更为重要的是,这种化合物具有一种被称为价态起伏的特殊性质,这能使其在低温下也可以作为良好的TE材料。”

YbSi2的首个优点是,Yb具有混合价态(+2和+3)。价态起伏也被称为近藤共振,这可使其在低温下增大塞贝克系数的同时,维持类金属的高电导率。即前面提到的功率因数。其次,YbSi2具有特殊的层状结构。当镱原子占据了与纯镱金属类似的晶体平面时,硅原子将在层间形成六边形薄层,就像石墨中的碳层一样。硅层隔绝了材料中的热传导,因而使热导率降低,从而保持温度梯度的稳定。研究人员认为,通过控制层状结构的纳米尺寸、掺杂以及结构缺陷,可以进一步抑制热传导。

研究人员最终获得了一种在室温下具有良好功率因数(2.2 mWm-1K-2)的TE材料。这与基于碲化铋的传统TE材料相比,同样具有竞争力。正如论文的通信作者Ken Kurosaki所言:“Yb的使用表明我们可以通过对金属元素的仔细筛选,以调和TE材料性能和现实需求之间的矛盾。具有中等功率的室温下的TE设备,将成为传统高温、高功率设备的良好补充。这对解锁TE材料进入日常科技有所帮助。”

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编译:Coke 审稿:三水 编辑:张梦

来源:https://www.sciencedaily.com

能源 热电效应

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