研究人员发现高性能热电材料 应用领域包括汽车工业、重工业等

盖世汽车讯 美国宇航局的2020火星探测器Perseverance由地球上一种非常需要的东西——热电装置提供动力,该装置能够将热量转换成有用的电力。在火星上,热源是钚的放射性衰变,而且热电装置的转换效率为4%至5%,足以为Perseverance及其运行提供动力,但是还足以让其在地球上得到应用。

据外媒报道,美国西北大学(Northwestern University)和韩国首尔国立大学(Seoul National University)的一组科学家展示了一种高性能热电材料,可实际用于研发热电装置。该材料是一种多晶形式的提纯硒化锡,在将热量转换为电力方面由于单晶形式的材料,因而成为有史以来效率最高的热电系统。在早期研究中,研究人员发现并解决了导致性能下降的氧化问题,从而实现了高转换率。

研究人员发现高性能热电材料 应用领域包括汽车工业、重工业等

颗粒形式的提纯硒化锡(图片来源:西北大学)

多晶硒化锡可被用于研发各种工业用的固态热电装置,能够具备很大的节能优势。其中一个关键应用目标是收集工业废热,如发电厂、汽车工业、玻璃厂和砖厂的废热,并将其转换成电力。目前,全球65%以上由化石燃料产生的能量都以废热的形式被损失掉了。

西北大学专攻新材料设计的化学家Mercouri Kanatzidis表示:“目前,热电装置已经投入使用,但是仅限于小众市场,例如用于火星探测器。此类装置还没有像太阳能电池一样流行起来,而且要制造出好的装置还面临着重大挑战。我们正专注于研发一种低成本、高性能的材料,以推动热电装置能够得到更广泛的应用。”

Kanatzidis表示,热电装置已经得到了认可,但是它们是否能够良好工作取决于内部的热电材料。此种设备的一边是热的,另一边是冷的,热电材料位于中间;热量会通过该材料,有些热量会转变为电力,通过电线离开设备。

热电材料需要具有极低的导热性,同时保持良好的导电性,以有效地进行余热转换。由于热源的温度可高达400至500摄氏度,此种材料需要再极其高的温度下也保持稳定。此类挑战以及其他挑战导致热电材料比太阳能电池更难以生产。

2014年,Kanatzidis及其团队报告发现了一种令人惊奇的材料,而且是全球最好的能够将热量转换成有用电力的材料:化学化合物硒化锡的晶体形式。虽然这是一项重要的发现,由于单晶体很脆弱且具片状,还是不适合大规模生产。

不过,多晶形式的硒化锡更强大,还可以切割和塑形,以用于不同应用。因此,研究人员转而研究此种形式的材料。出于意料的是,他们发现此种材料的热导率很高,不像单晶体形式的硒化锡那么低。

经过进一步检查,研究人员发现在此种材料上有一层氧化锡皮。热量流过该氧化锡皮时,会增加热导性,不合热电装置的需求。

韩国研究小组在了解到氧化过程本身以及原料都会有氧化作用后,发现了一种去除氧气的方法。然后,研究人员可以制造不含氧的硒化锡颗粒,并对其进行测试。

测量了多晶形式硒化锡的真实热导率后,发现比原先预期的要低。作为热电装置的一个性能(即将热量转换成电力),超越了单晶形式的硒化锡,而且也是有记录以来效率最高的材料。

热电学中废热转换的效率由“品质因数”表示,即ZT值(热电优值)。该数字越大,转换效率越高。此前发现的单晶形式硒化锡的ZT值在913开尔文(热力学温度单位)时大约为2.2至2.6。在新研究中,研究人员发现多晶体提纯硒化锡的ZT值在783开尔文时约为3.1,其热导率超低,低于单晶体材料。

西北大学拥有该硒化锡材料的知识产权,此种热电材料的潜在应用领域包括汽车工业(从汽车排气管中排出的大量废热)、重工业(如玻璃厂和砖厂、炼油厂、燃煤和燃气发电厂)以及需要不断运行大型内燃机的地方(如大型船舶和油轮)。

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