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低成本与高性能的新型热电材料,如何将热能和电能相互转换?

2021-08-09 10:59
陈述根本
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文|陈根

热电材料是一种很有发展前途的功能材料,其能将热能和电能相互转换。随着环境污染的日益增加,物理学的快速进展、能源短缺问题的紧迫,开发一类能够自身供能且无需看管的能源系统十分重要,而热电发电对这些需求尤其合适。

热电材料具有工作无噪音、无排弃物的优点,和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样,对环境没有污染,并且这种材料性能可靠,使用寿命长,能够实现精确控温,响应速度快,还可为超导材料的使用提供低温环境。

如果将热电材料技术应用于大规模电厂发电或广泛的制冷器,可能我们的生活环境会大为改观。因此,世界各国在推进热电转换技术应用的同时,也在不断进行着新型高性能热电材料的研究和探索。

近日,美国西北大学(Northwestern University)研究人员开发出一种新型热电材料,这可能是目前为止效率最高、可用于设备开发的实用热电材料。

这种全新的、经过改进成多晶形式的纯化硒化锡,在将热能转化为电能方面优于单晶形式。研究人员在识别并消除了早期研究中降低性能的氧化问题后,实现了其高转化率。

陈根:新型热电材料,低成本、高性能

热电材料的属性与最终的转化效率相关,并反映在它的“品质因数”上,这个数字称为ZT。数字越高,意味着转化率越高。早先发现单晶硒化锡的ZT在913开尔文时约为2.2至2.6。在这项新研究中,研究人员发现多晶形式的纯化硒化锡在783开尔文下的ZT约为3.1。

此外,热电材料需要一些特性,比如高电导率和低热导率,这样当热量停留在一边时,电子可以顺利通过。它们还需要能够有效地利用温度梯度发电,理想情况下,能够承受高温。因此,研究人员将其制成多晶形式,这种形式不仅更坚固,也更容易根据需要切割和塑形。并且,其热导率也低于单晶,成本也较低。

热电材料是一种有着广泛应用前景的材料,在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的提升研究具有很强的现实意义。

陈根:新型热电材料,低成本、高性能

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