柔性热电器件应用于可穿戴电子设备示意图。

 陈立东院士在做科普讲座。

 方钴矿结构图。

 以上图片均为中国科学院上海硅酸盐研究所提供

 资料来源:中国科学院上海硅酸盐研究所

 “十五五”规划纲要提出,深入实施能源安全新战略,加快构建清洁低碳安全高效的新型能源体系,建设能源强国。

 热电技术能将消散的热量重新集结、化为电能,为绿色低碳生活提供有力支撑。本期“院士讲科普”,我们请中国科学院院士、热电材料专家陈立东讲述“点热成电”背后的科技魅力。

 ——编  者  

 在中国科学院上海硅酸盐研究所的一间实验室里,数块名片大小的灰黑色材料片,借助两端200多摄氏度的温差,持续输出电能。这些看起来不起眼的“灰片”,正是中国科学院院士、热电材料专家陈立东钻研20多年的热电材料,经过研究,这些材料被赋予了“点热成电”的魔力,承载着将废弃热能转化为清洁电力的科学设想。

 “全球范围内,人类所使用的初级能源中有超过60%最终以废热形式散失于环境。从钢铁厂炽热的烟道到汽车的排气管,甚至是我们厨房里的灶台——只要存在温度高于环境的热源,就有一座未被开发的‘能源金矿’。”陈立东说。

 如何高效开采“能源金矿”?热电转换技术是极具潜力的有效路径。陈立东院士团队在热电材料上取得的一系列突破,正让这条路径变得越来越清晰、可行。

 热电转换关键在材料

 热电效应是什么?让我们回到19世纪初的一个场景:当德国物理学家托马斯·塞贝克将手指放在一个铋的块体上,放在线圈里的指南针突然转动,用酒精灯烧这个铋的块体,转动则更明显。这就是热电效应的发现。它揭示了由两种不同导体构成的回路两端存在温差时,回路中会产生电流——这就是热电材料发电的物理基础。

 “原理看似简单,但将实验室现象转化为稳定、高效、可规模化应用的工程技术有很大挑战。”陈立东介绍,“主要瓶颈在于材料。一个理想的热电材料,需要扮演一个‘矛盾角色’:它必须像铜一样善于传导电子(高电导率),同时又得像泡沫玻璃一样阻挡热量的直接传递(低热导率),并且还能产生大的电压(温差电势)。只有这样,材料两端才能建立并维持足够的温差,从而持续输出高功率。此外,它还必须在高温下保持稳定,对环境友好且成本可控。”

 能够完美达到这些严苛条件的材料非常稀缺。一种被称为“方钴矿”的天然矿物受到关注,它的晶体结构非常特殊,由钴、砷等元素构成一个刚性的三维框架、笼状晶体结构,框架中间形成了一个个排列规则的孔洞,就像灯笼或鸟笼。“这些空‘笼子’为我们打开了广阔的性能调控空间。”陈立东介绍。

 上世纪90年代,国外科学家率先尝试将外来原子填入方钴矿的“笼”内。结果令人振奋:这些被填入的原子在“笼”内像一个个活跃的“弹珠”,对传播热量的声子(晶格振动)形成了极其强烈的散射。

 “这相当于在材料内部构建了高效的‘声子散射网络’。”陈立东说,“原来的热量在晶格中传递,好比汽车在空旷的高速公路上飞驰。现在,我们填入的原子就像无数个随机出现、剧烈振动的‘减速带’和‘路障’,极大地阻滞了‘热流车辆’的速度,从而大幅降低了材料的晶格热导率。同时材料的电学传输通道受到的影响相对较小。”这样一来,方钴矿的短板——热导率高的情况就得以弥补。

 这类新材料被命名为“填充方钴矿”。它们的出现为热电材料研究打开了一扇新大门,并迅速成为该领域前沿热点。

 尝试原子填充,找到“最佳配方”

 2001年,我国开始了对方钴矿热电材料的系统研究。陈立东进入中国科学院上海硅酸盐研究所,致力于开发填充方钴矿等中高温热电材料。

 “跟踪前沿固然重要,更要知其所以然,并实现超越。”陈立东及其团队不仅致力于开发新材料配方,更深入探究其背后的物理机制。2005年,陈立东与合作团队揭示了填充原子在方钴矿笼状结构中的“局域化”振动模式及其对热传输的强散射机制。

 团队尝试用不同特性的原子进行“填充”。从单一的稀土元素(如钡、镱),到碱金属(如钠、钾),探索的步伐不断加快。“就像在微观世界里进行‘烹饪’实验。”陈立东说,“不同的填充原子是不同的‘调味料’,有的原子‘个头大’,振动幅度强;有的原子‘电荷多’,与笼壁相互作用不同。我们要找到‘最佳配方’,让笼中振动达到最理想的状态,从而实现热电性能的极致优化。”

 探索很快从“单填”走向“共填”——通过将两种或三种不同尺寸、不同质量的原子协同填入方钴矿晶格笼,可以产生更复杂、更高效的声子散射频谱,将热导率降至接近理论极限。2011年,团队成功研制出多种元素原子共填充的方钴矿材料,其热电优值(衡量热电性能的核心指标)达到了当时同类材料的国际领先水平,标志着我国在该材料体系的研究跻身世界前列。

 转换效率提升,走向广阔应用

 拥有高性能的块体材料,只是第一步。如何将这些脆性的陶瓷类材料片与金属电极更好地连接起来,组装成能承受高温、大温差、振动等严苛考验的坚固热电发电模块?

 陈立东说:“热电材料与金属电极的热膨胀系数往往差异很大。在反复的升降温循环中,一个‘胀’得多,一个‘胀’得少,界面处会产生巨大的热应力,最终导致连接处开裂、脱落,器件失效。这好比用水泥和木头紧紧黏合,太阳一晒,木头膨胀小,水泥膨胀大,接合部必然开裂。”

 为了克服这一难题,团队2004年就引入并发展了“放电等离子烧结”技术,能在短短几分钟内施加高温、高压,将填充方钴矿粉末与特定配方的电极合金粉末一次性烧结成形。“这个过程就像‘闪电焊接’,在原子尺度上让两者紧密结合。”陈立东说。

 此后,团队开展了一系列系统性、工程化研究。比如“在悬崖筑缓坡”——通过设计多层的梯度电极,缓冲材料与终端电极之间的热膨胀失配,让热应力平缓过渡。同时开展长期可靠性验证与批量化制备工艺探索,为未来工程应用铺路。

 20多年来,团队将热电器件的转换效率从不到6%提升到了接近15%。

 接近15%的转换效率意味着什么?陈立东举例说:“以中型卡车为例,其发动机排放的尾气温度高达500—600摄氏度。如果利用我们的模块回收这部分废热发电,理论上可以满足车辆部分辅助电器的用电需求,或为电池充电,带来可观的节能收益和碳减排量。”

 目前,填充方钴矿等系列新型热电材料正从实验室走向更广阔的应用天地。陈立东描绘了热电技术深度融入生产生活的场景:工业余废热回收的“能源捕手”、交通运输的“绿色增效器”、深空探索的“心脏”、数据中心与芯片的“贴身冷却师”……

 “目前,材料成本、系统集成效率、长期运行维护成本,都是产业化道路上需要持续优化的课题。”陈立东认为,借助人工智能,未来研究方向将更加多元,应用场景也将更加丰富。