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新材料打破温差发电效率纪录

日,奥地利维也纳大学的科学家们研究出一种新型材料,能够有效地利用温差产生电流。这一物质的发现使得感应器、小型电子处理器能够在无线的状态下为自己提供电能。热电物质能够将热能转化为电能,要归功于“塞贝克效应”(Seebeck effect)。塞贝克效应又称作第一热电效应,是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。一般规定热电势方向为:在热端电子由负流向正。

在特定温差下产生的电能,需要通过电热优值系数ZT值进行衡量:一种材料的ZT值越高,它的温差电性才会越好。迄今为止,所测量到温差性最好的材料ZT值在2.5-2.8之间。而维也纳大学的科学家们研发出的是一种ZT值在5-6之间的全新物质。它是将铁、钒、钨和铝的一片合金薄层覆盖于硅晶体上的材料。这一研究成果发表在最新一期的《自然》杂志中。

 

热电材料是什么?

热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电效应虽然只是在接触点表现,但是热电过程发生在整个材料,所以热电效应不是界面效应,而是体效应。此外,热电材料的应用不需要传动部件,工作时无噪音、无排弃物,和太阳能、风能、水能等二次能源一样,对环境无污染,材料性能可靠且使用寿命长。

具体而言,ZT值的高度决定了热电材料的温差特性,而ZT值的表现来自于材料的三项重要能力:塞贝克系数、电导率和热导率。可以说,塞贝克系数越高,相同的温差下产生的电动势就越高,意味着能够发出来的电就越多。电导率越高,电子在材料内部就可以越容易的扩散。而热导率越高,热量就可以更快速地从热端传递到冷端,从而让温差发电所依赖的温度差消失,电动势也就随之消失。另一方面,将热能从高温度点传向低温度点的晶格振动会被晶体中的不规则排列所抑制。所以,热导性会有所下降。这一点极为重要,因为温度差会很快的趋于平衡,材料的每一处都会保持同温度,那么温差效应也会随之停摆。

不难看出,对于热电材料来说,前两种能力是越强越好,而后一种能力则是越弱越好。热电优值系数ZT,也就是这三个参数的集合:塞贝克系数越高、电导率越高、热导率越低,ZT值就越高,材料进行温差发电的效率也就越高。因此,对于研究新型的热电材料,关键就在于如何提高材料的ZT值,也就是在实现高的塞贝克系数和电导率的同时,获得低的热导率。

另一方面,材料的热导率包括两个部分,分别是电子热导率和声子热导率。其中,前者与电导率息息相关。但声子热导率,却是决定热电材料性质的各种参数中,唯一一个对ZT值里其它所有的参数都没有影响的参数。所以,提高ZT值的最重要的思路之一,就是在不影响材料电子热导率的情况下,通过降低声子热导率的方式来降低整体热导率。具体到材料的微观层面,就是在不影响电子输运的前提下,通过一些特殊的构造,来增强声子的散射,从而只降低材料的声子热导率,却不改变其他参数。这也正是维也纳大学研究人员成功突破的技术所在。

自2013年开始,经过多年的研究,他们发现了一种可以同时实现高电子热导率和低声子热导率的材料。他们将一层由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料覆盖在硅晶体上,实现了高达5-6的ZT值,使ZT值变为现有最好水平的翻倍。这种有序和无序相结合的晶体结构,就让材料产生了独特的性质:电子依然可以以自己独特的行为方式,在晶体里“自由”的穿梭,在散射过程中受到了保护,使得电导率和电子热导率不受影响。部分电荷穿行材料被称为外费尔米字,这是一种低电阻的电子。但热量传导依赖的声子迁移却被不规则的结构阻隔,导致声子热导率大幅下降。这样一来,热端和冷端的温度差得以维持,由此产生的电势差也就不会消失。因此,科学家们实现了梦寐以求的热电材料电子热导率不变、声子热导率下降,从而大幅提升ZT值到6的目标。

研究团队的固体物理学教授Ernst Bauer表示:“这种物质的原子是严格地以面心立方晶体的模式进行排列,两个铁原子之间的距离永远相同,同样的其他物质原子之间的距离也是相同的,因此整个晶体材料能够呈现完全整齐的排列。”可是,当一薄层金属融入硅晶体后,就出现了神奇的现象:材料的结构发生了彻底的改变。虽然原子依然会形成晶体状态,但是却以体心立方晶体的形式排列,不同类型的原子完全随意分布。Bauer解释到:“两个铁原子也许会紧贴彼此排列,而它们旁边的位置就会被钒或铝原子占据,这样的话就无从知晓这个晶体中下一个铁原子排列的位置在哪里。”

 

万物互联中的电流

“这种材料在未来的生产设备中能够发挥重要的作用,比如一台机器可以动态地回应另一台机器。如果一家工厂需要大量的感应器,你无法用电线将它们所有都连接在一起。对于感应器来说,更聪明的方法就是利用温差设备使它们自身产生电能。”Bauer教授认为。

除此之外,新材料的突破能够使温差发电应用于更多的领域,比如汽车行业。内燃机在工作中,燃油燃烧的总热量只有30%-45%用于汽车的动力输出,其中汽油机的输出功率一般只占燃油燃烧总热量的20%-30%,而柴油机输出功率一般占燃油燃烧总热量的30%-45%。即至少一半以上的热量以废热的形式排出车外,这些热量包括循环冷却水带走的热量和汽车尾气带走的热量。如果用热电发电机替代传统发电机,将这部分热能转化成电能储存在蓄电池内,汽车的燃油经济性将会得到明显的提高。

在海洋船舶领域,地球表面积的70%是海洋,而海洋是巨大的能源库。太阳注入地球表面的能量换算为电功率约为1013kW,其中约2/3用于加热海面表层海水,其与深水的温差超过20℃以上。理论上,热水温差在16.6℃即可用于发电,实际应用中一般都在20℃以上,南北纬度在20度以内的热带海洋都适合温差发电。

编译自麻省理工科技评论、物理世界网站

 (责任编辑 姜懿翀)

 


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