第403章 温差发电(2 / 2)

第一、塞贝克系数(材料在有温度差的情况下产生电动势的能力),塞贝克系数越高,相同的温差下产生的电动势就越高,意味着能够发出来的电就越多。

第二、电导率(材料的导电性),电导率越高,电子在材料内部就可以越容易地扩散。

第三、热导率(材料的导热系数),热导率越高,热量就可以更快速地从热端传递到冷端,从而让温差发电所依赖的温度差消失,电动势也就随之消失。

显然对于热电材料来说,前两种能力是越强越好,而后一种能力则是越弱越好。

热电优值系数zt,也就是这三个参数的集合:塞贝克系数越高、电导率越高、热导率越低,zt值就越高,材料进行温差发电的效率也就越高。

因此,热电材料的研究,其关键就是如何提高材料的zt值,也就是在实现高的塞贝克系数和电导率的同时,获得低的热导率。

不过想同时优化这三个参数,是一件十分困难的事情。因为这三种性质是相互关联的,提升一种性质,往往伴随着另一种、甚至两种性质的指标出现削弱。

一般情况下,提升材料的塞贝克系数,就会降低其电导率。这种三个参数之间相互关联的性质,这使得热电材料的研发一直进展缓慢。

然而,三种参数“一损俱损、一荣俱荣”的这种关系,也不是完全绝对的。

这个“利益共同体”也有一个“叛徒”——热导率,更准确地说,是热导率的一部分。材料的热导率包括两个部分,分别是电子热导率和声子热导率。

其中,前者与电导率息息相关,是“利益共同体”的一分子;但声子热导率,却是在决定热电材料性质的各种参数之中,唯一对zt值里其它所有的参数都没有影响的参数。

这个维也纳大学团队的研究思路,便是在不影响材料电子热导率的情况下,通过降低声子热导率的方式来降低整体热导率。

具体到材料的微观层面,就是在不影响电子输运的前提下,通过一些特殊的构造,来增强声子的散射,从而只降低材料的声子热导率,却不改变其它参数。

他们从2013年开始,经过多年的研究,发现了一种可以同时实现高电子热导率和低声子热导率的材料。

用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料,实现了高达5到6的zt值,让zt值比现有最好水平翻了倍。

在通常情况下,这种由铁、钒、铝、钨四种元素组成的合金,其结构非常规则,例如,钒原子旁边一定只有铁原子,铝原子也一样,而两个相邻的同元素原子之间的距离也总是一样。

然而,当科学家们把薄薄的一层这种材料,与硅材料基底相结合的时候,神奇的事情就出现了。

尽管这些原子仍然维持着原有的立方体的结构,但原子之间的相互位置却发生了剧烈的改变。

以前该是一个钒原子出现的位置,现在可能变成了一个铁原子或者铝原子;而一个铝原子旁边本来该是一个铁原子,现在可能还是一个铝原子,甚至是一个钒原子。

而且,这种各个原子之间位置的改变,完全随机,毫无规律可循。

这种有序和无序相结合的晶体结构,就让材料产生了独特的性质:

电子依然可以有自己的特殊路径,在晶体里“自由”穿梭,使得电导率和电子热导率不受影响;但热量传导依赖的声子迁移却被不规则的结构阻隔,导致声子热导率大幅下降。

这样一来,热端和冷端的温度差得以维持,由此产生的电势差也就不会消失。

维也纳大学团队也就实现了梦寐以求的热电材料电子热导率不变、声子热导率下降,从而大幅提升zt值到6的目标。

而他们的理论上,如果可以改变相关概念材料的拓扑结构,zt值达到20也将不再只是梦想。

zt值达到6,热效率将达到12%左右,如果zt值可以提升到20,热效率可以和蒸汽轮机相提并论。

而温差发电设备和蒸汽轮机比起来,那个结构就简单到极点,比如上面提到的钚同位素电池,它就是温差发电电池。

不过材料学方面,黄豪杰不如正统的李想他们,他连忙向材料研究所发了一个研究课题,让材料研究所专门研发一种zt值为20左右的热电材料。(记住全网小说更新最快的枣子读书:www.zhaozhi.us)