新材料打破了將熱能轉(zhuǎn)化為電能的世界紀(jì)錄

一種新型材料可以根據(jù)溫度差異非常有效地產(chǎn)生電流。這使傳感器和小型處理器可以無線地為其自身提供能量。

熱電材料可以將熱量轉(zhuǎn)化為電能。這是由于所謂的塞貝克效應(yīng)造成的：如果這種材料的兩端之間存在溫差，則可能會產(chǎn)生電壓并且電流會開始流動。在給定的溫度差下可以產(chǎn)生的電能的數(shù)量由所謂的ZT值來衡量：材料的ZT值越高，其熱電性能越好。

迄今為止，最好的熱電器件的ZT值約為2.5至2.8。維也納維也納大學(xué)的科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)成功開發(fā)出ZT值為5到6的全新材料。它是硅，鐵，釩，鎢和鋁的薄層。

這種新材料非常有效，可以用來為傳感器甚至小型計算機(jī)處理器提供能量。與其將小型電氣設(shè)備連接至電纜，它們還可以通過溫差產(chǎn)生自己的電能。現(xiàn)在，新材料已經(jīng)發(fā)表在《自然》雜志上。

電力和溫度

維也納大學(xué)固體物理研究所的恩斯特·鮑爾教授說：“一種好的熱電材料必須表現(xiàn)出很強(qiáng)的塞貝克效應(yīng)，并且必須滿足兩個難以調(diào)和的重要要求。” “一方面，它應(yīng)該盡可能地導(dǎo)電;另一方面，它應(yīng)該傳輸?shù)臒崃勘M可能少。這是一個挑戰(zhàn)，因為電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率通常密切相關(guān)。”

恩斯特·鮑爾(Ernst Bauer)于2013年在維也納工業(yè)大學(xué)建立的基督教多普勒熱電實驗室在過去幾年中研究了用于不同應(yīng)用的不同熱電材料?，F(xiàn)在，這項研究導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了一種特別出色的材料-鐵，釩，鎢和鋁的組合。

恩斯特·鮑爾(Ernst Bauer)說：“這種材料中的原子通常以嚴(yán)格規(guī)則的方式排列在所謂的面心立方晶格中。” “兩個鐵原子之間的距離總是相同的，其他類型的原子也是如此。因此整個晶體是完全規(guī)則的。”

但是，當(dāng)將一層薄薄的材料涂覆到硅上時，會發(fā)生一些令人驚訝的事情：結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化。盡管原子仍然形成立方圖案，但它們現(xiàn)在以空間為中心的結(jié)構(gòu)排列，并且不同類型原子的分布變得完全隨機(jī)。鮑爾解釋說：“兩個鐵原子可能彼此相鄰放置，它們旁邊的位置可能被釩或鋁占據(jù)，不再有任何規(guī)則規(guī)定在晶體中發(fā)現(xiàn)下一個鐵原子的位置。”

原子排列的規(guī)則性和不規(guī)則性的混合也改變了電子結(jié)構(gòu)，這決定了電子在固體中的移動方式。恩斯特·鮑爾(Ernst Bauer)說：“電荷以一種特殊的方式在材料中移動，因此可以防止其受到散射過程的影響。穿過材料的電荷部分被稱為韋爾費米子。” 這樣，獲得了非常低的電阻。

另一方面，晶格振動將熱量從高溫的地方傳遞到低溫的地方，受到晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的抑制。因此，熱導(dǎo)率降低。如果要通過溫差永久性地產(chǎn)生電能，這很重要-因為如果溫差可以很快達(dá)到平衡，并且整個材料很快在任何地方都具有相同的溫度，則熱電效應(yīng)將停滯不前。

物聯(lián)網(wǎng)用電

“當(dāng)然，這樣的薄層不能產(chǎn)生特別多的能量，但是它具有非常緊湊和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，”恩斯特·鮑爾(Ernst Bauer)說。“我們想用它為傳感器和小型電子應(yīng)用提供能量。” 對這種小型發(fā)電機(jī)的需求正在迅速增長：在“物聯(lián)網(wǎng)”中，越來越多的設(shè)備在線鏈接在一起，以便它們彼此之間自動協(xié)調(diào)其行為。這對于將來的生產(chǎn)工廠特別有希望，因為一臺機(jī)器必須對另一臺機(jī)器做出動態(tài)反應(yīng)。

鮑爾說：“如果工廠需要大量傳感器，則無法將所有傳感器都連接在一起。傳感器能夠使用小型熱電設(shè)備產(chǎn)生自己的電能要聰明得多。”