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热电材料或为新能源下一个风口

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发布时间:2019-05-05 18:09:05



热电材料或为新能源下一个风口


能源产业的发展推动着人类社会的发展与物质文明的进步。近年来,全球工业化进程不断加快,人们对地球资源的开发与利用不断增加,能源危机日益突显。而在能源损耗过程中,一半以上的能源都以废热的形式释放到环境中,城市固体废弃物的焚烧、汽车尾气排放的废热,热能浪费的现象比比皆是。

热电材料是一种通过固体内部载流子的运动实现热能和电能之间相互转换的新能源材料。与其他发电技术相比,热电材料器件易于小型化、无污染、无噪音、可靠性高,因此具有很大的发展潜力。

依据不同的工作温度,热电材料可分为低温体系、中温体系和高温体系三类。低温材料体系为碲化铋及其合金,最佳工作温度在300℃以下,被广泛用于热电制冷领域;中温材料体系为碲化铅、填充方钴矿、half-Heusler 等化合物,工作温度区间为300-700℃,在汽车尾气和工业余废热回收方面具有潜在应用前景;高温材料体系主要为硅锗合金,最高工作温度区间可达700℃以上,应用于深空探测卫星的同位素热电发电器等。

除上述热电材料体系之外,近年来随着“电子晶体- 声子玻璃”、能带工程、纳米工程、类液态效应等一系列新概念和新思想的提出,涌现出了一大批新型的高性能热电材料,包括Zintl 相材料( 如Yb11MnSb14、BaZn2Sb2)、笼合物(Ba8Ga16Ge30)、氧化物(NaxCoO2、Ca3Co4O9、BiCuSeO)、Cu 基化合物( 如Cu2S、Cu2Se、CuInTe2)、SnSe 等,极大地丰富了热电材料的研究。

热电材料的应用领域

热电材料是一种重要的军民两用材料,可在特种电源、工业余废热回收、局部精确控温等领域取得广泛的使用。热电发电具有系统体积小、可靠性高、无运动部件等特点,在航空航天和军事等领域使用广泛。比如,人造卫星、深空探测器、火星/ 月球表面着陆器所使用的放射性同位素热电发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator)利用热电材料将放射性同位素衰变时所放出的热量直接转换成电能加以利用。在工业领域,可以通过热电材料将太阳热、工业余/ 废热、汽车尾气废热甚至是人体体温转换成电能加以利用。

热电制冷具有全固态、无噪音、控温精度高等特点,主要应用于个人消费品领域(如:车载冰箱、除湿器、小型饮料机、车用冷杯、冷帽、汽车座椅等),电子领域(如:半导体芯片制冷、大功率LED 散热器、投影仪散热等),医学领域(如:半导体制冷运血箱、冷敷仪、冷冻切片机、呼吸机、固体激光器等)。

此外,在光学领域的红外线探测器、高灵敏度CCD、分光光度计、色谱仪等也有应用,例如,俄罗斯米格战斗机配备的AA-8 和AA-11 系列导弹就采用热电制冷对红外探测系统进行温控。