俄羅斯國家研究型大學“莫斯科鋼鐵學院”能效中心研發出熱電轉換新型材料,由于材料具有非常高的品質因數,可作航天器長期供電用電池。此項成果發表在 Journal of Materials Chemistry A科學雜志上。
在原理上,所研發的熱電轉換材料是由兩類具有不同性能的原子組成,嚴格固定在晶體晶格節點上原子和自由震蕩原子。其中,固定原子保證材料的高導電率,震蕩原子與晶格之間的結合鍵能弱,具有散熱性,可大大降低材料的導熱性。在材料學上,所制備的材料為金屬間化合物(兩種或兩種以上金屬的化合物),其晶格結構上具有空穴,在不破壞晶格結構的前提下采用“做客”原子填充空穴,可獲得不同材料之間的性能“搭配”。如果材料的導電性高,且導熱性弱,材料的關鍵技術指標——熱電品質因數(熱電轉換效果)則高。
莫斯科鋼鐵學院能效中心所選用的原料為方鈷礦材料,其成分為銻與鈷的金屬間化合物(CoSb3),當表面溫度差達到400-500℃時,所研發材料的品質因數最大,達到1.4(作為參考,已知的熱電轉換材料碲化鉍,當溫度差為100-150℃時其品質因子達到最大,為1.2)。
為在銻-鈷金屬系中獲得更高的品質因數,該中心嘗試了多種技術方案,例如采用稀土元素(例如鐿元素)作為雜質成分對材料進行雜化處理,及采用兩種或兩種以上的金屬進行合成,曾采用三種金屬元素合成出品質因數為1.8的材料。另外,改變金屬成分的配比及采用銦作為雜化成分,可在短時間內(不超過2分鐘)合成出相應材料,再進行5小時退火后所獲得材料得到的品質因數指標非常高。該技術方案具有成本低的優勢,且其品質因數高(可達1.5),創造了以銦作為雜化成分的銻-鈷金屬系熱電轉換指標的記錄。
熱能可直接轉換成電能這種現象是由德國物理學家托馬斯·塞貝克于1821年發現的,但塞貝克效應至今未能得到工業化應用,科研人員一直試圖研發熱電直接轉換材料,但所有的嘗試均處于實驗室階段。
熱電轉換材料在航天領域已經得到應用,以核裂變作為熱源的熱電轉換裝置安裝在卡西尼號(Cassin)、新視野號(New Horizons)航天器及好奇號(Curiosity)火星探測器上。