俄罗斯国家研究型大学研发出热电转换新材料

王达滨

      俄罗斯国家研究型大学“莫斯科钢铁学院”能效中心研发出热电转换新型材料，由于材料具有非常高的品质因数，可作航天器长期供电用电池。此项成果发表在 Journal of Materials Chemistry A科学杂志上。
      在原理上，所研发的热电转换材料是由两类具有不同性能的原子组成，严格固定在晶体晶格节点上原子和自由震荡原子。其中，固定原子保证材料的高导电率，震荡原子与晶格之间的结合键能弱，具有散热性，可大大降低材料的导热性。在材料学上，所制备的材料为金属间化合物（两种或两种以上金属的化合物），其晶格结构上具有空穴，在不破坏晶格结构的前提下采用“做客”原子填充空穴，可获得不同材料之间的性能“搭配”。如果材料的导电性高，且导热性弱，材料的关键技术指标——热电品质因数（热电转换效果）则高。

      莫斯科钢铁学院能效中心所选用的原料为方钴矿材料，其成分为锑与钴的金属间化合物（CoSb3），当表面温度差达到400-500℃时，所研发材料的品质因数最大，达到1.4（作为参考，已知的热电转换材料碲化铋，当温度差为100-150℃时其品质因子达到最大，为1.2）。
为在锑-钴金属系中获得更高的品质因数，该中心尝试了多种技术方案，例如采用稀土元素（例如镱元素）作为杂质成分对材料进行杂化处理，及采用两种或两种以上的金属进行合成，曾采用三种金属元素合成出品质因数为1.8的材料。另外，改变金属成分的配比及采用铟作为杂化成分，可在短时间内（不超过2分钟）合成出相应材料，再进行5小时退火后所获得材料得到的品质因数指标非常高。该技术方案具有成本低的优势，且其品质因数高（可达1.5），创造了以铟作为杂化成分的锑-钴金属系热电转换指标的记录。
    热能可直接转换成电能这种现象是由德国物理学家托马斯•塞贝克于1821年发现的，但塞贝克效应至今未能得到工业化应用，科研人员一直试图研发热电直接转换材料，但所有的尝试均处于实验室阶段。
       热电转换材料在航天领域已经得到应用，以核裂变作为热源的热电转换装置安装在卡西尼号（Cassin）、新视野号（New Horizons）航天器及好奇号（Curiosity）火星探测器上。

  来源：科技部