室溫下的熱電發電：為時不遠？

科技 12-29

導讀

近日，日本大阪大學的研究人員與日立公司合作開發出一種新型無毒的熱電材料，並在室溫條件下，提高了功率因素。這項研究成果將幫助熱電材料突破高溫限制，應用於更廣泛的領域。

背景

對於智能硬體、可穿戴電子設備、智能手機等電子產品來說，電池似乎成為了關鍵瓶頸：續航時間短、需要反覆充電等問題都嚴重影響著用戶體驗。

為了解決上述問題，除了改善電池本身性能之外，還有一種辦法就是：採用新的能量採集和供應方式。之前，筆者介紹過「自供電」技術。在眾多實現自供電方案的方法中，有一種就是：溫差（Thermoelectric）發電，也稱為「熱電」發電。

首先，讓我們來簡單認識一下溫差電效應。它是指在特殊材料中，由於溫度差異而產生電壓的過程。一般來說，材料的一端較熱，另外一端較冷時，電荷載體就會從熱的一端向冷的一端移動，形成電動勢，從而產生電壓。這種材料只需要低於一攝氏度的溫差，就能產生檢測得到的電壓。

室溫下的熱電發電：為時不遠？

（圖片來源：維基百科）

溫差電效應是由於不同種類固體的相互接觸而發生的熱電現象。它主要有三種效應：塞貝克（Seebeck）效應、帕爾貼（Peltier）效應與湯姆遜（Thomson）效應。為了讓大家更容易理解今天要介紹的創新成果，重點介紹一下塞貝克效應。

塞貝克效應（Seebeck

effect）又稱作第一熱電效應，是指由於兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。一般規定熱電勢方向為：在熱端電流由負流向正。在兩種金屬A和B組成的迴路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在迴路中將出現電流，稱為熱電流。相應的電動勢稱為熱電勢，其方向取決於溫度梯度的方向。

該效應是法國科學家塞貝克於1821年發現。後來發現，熱電勢還有如下兩個基本性質：第一，中間溫度規律，即溫差電動勢僅與兩結點溫度有關，與兩結點之間導線的溫度無關。第二，中間金屬規律，即由A、B導體接觸形成的溫差電動勢與兩結點間是否接入第三種金屬C無關。只要兩結點溫度T1、T2相等，則兩結點間的溫差電動勢也相等。正是由於這兩點性質，溫差電現象如今才會被廣泛應用。

在未來科技發展中，熱電（TE）材料將發揮越來越重要的作用。例如，它可製作成首飾，利用人體熱量為植入式醫療設備例如：血糖監測或者心臟監測設備供電；也可以應用於烹飪鍋，利用它產生的熱量為智能手機充電；或者應用於電動汽車，將發動機的熱量轉化為電力；還可以應用于飛機，利用機艙和外部冷空氣的溫差，產生更多的能量；最後，電廠也可以使用這種材料，從浪費的熱量中獲取更多的電力。

室溫下的熱電發電：為時不遠？

（圖片來源：Ashutosh Tiwari / 猶他大學）

儘管科學家已經探索出一些熱電材料的相關應用，然而它們大部分仍局限於在高溫設備中。此外，目前用於溫差發電的材料，例如鎘、碲化物、汞基材料等，都是有毒的。

創新

這些年來，研究人員一直在尋找合適材料，期望既保證無毒環保，又可以製造出更多的電力。最近，日本大阪大學的研究人員與日立公司合作開發了一種新型TE材料，在室溫條件下，提高了功率因素。他們的研究成果發表於《Physica Status Solidi RRL》期刊，將幫助熱電材料突破高溫限制，應用於更廣泛的領域。

技術

TE材料具有熱電效應：在其一側施加熱量，就會有電流開始流動。相反，為設備施加外部電流，則會形成溫度梯度。例如，一側變得比另外一側更熱。通過熱量與電流之間的轉換，TE材料可用於電力發電機（給定熱源）或者冷凍機（給定電源）。

理想的TE材料應該具有高導電性，允許電流流過；也具有低導熱性，防止溫度梯度夜間消失。發電性能主要取決於「功率因數」，它與導電性和「塞貝克效應」都成比例。

文章的合著者 Sora-at Tanusilp 表示：「不幸地是，大多數的TE材料通常都是基於稀有或者有毒的元素。為了解決這個問題，我們將硅（一種常用的TE材料）與鐿相結合，製造出硅化鐿 [YbSi2]。我們從眾多材料中選擇鐿有幾個原因。第一，它的化合物都是良好的導體。第二，YbSi2是無毒的。更進一步說，這種化合物具有價態起伏的特性，使之在低溫條件下可成為足夠優秀的TE材料。」

室溫下的熱電發電：為時不遠？

（圖片來源：參考資料【2】）

YbSi2 第一項優勢是Yb原子佔有混合價態，+2 和 +3。這種起伏，也稱為「近藤共振」，在低溫條件下保持類金屬的高導電性，從而增強了塞貝克效應，並因此增加了功率因素。

第二，YbSi2 具有一種非同尋常的分層結構。Yb 原子佔據晶面，與純Yb金屬相似，在這些晶面之間，硅原子形成六邊形薄片，類似石墨中的碳原子薄片。這阻止了熱量通過材料傳導，因此保持了低導熱性，保持了溫度梯度。研究人員相信熱傳導會通過控制納米結構、雜質以及其他缺陷的痕迹，得到進一步抑制。

價值

研究成果非常令人鼓舞，室溫條件下功率因素高達2.2 mWm-1K-2。這與傳統的基於碲化鉍的TE材料相比，非常具有競爭力。正如這項研究的通訊作者 Ken
Kurosaki 所解釋的：「Yb的使用表明，我們能夠通過仔細地選擇正確的金屬，調解TE材料衝突的需求。室溫條件下的TE材料具有適度的功率，可視為對於傳統高溫、高功率器件的補充。這將幫助TE材料在日常技術中發揮作用。」

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