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二十载攻关破瓶颈 热电材料让废热变“绿电”

2026-05-19 08:11:01来源:互联网

中国科学院院士、热电材料专家陈立东带领团队,在上海硅酸盐研究所深耕二十余年,攻克热电材料与器件的多项核心难题,将热电器件转换效率从不足6%提升至近15%。如今,这套技术正推动废弃热能回收从实验室走向工业、交通等多场景应用,为构建清洁低碳的新型能源体系提供有力支撑。 全球范围内,人类使用的初级能源中有超过60%最终以废热形式散失——钢铁厂的炽热烟道、汽车的排气管、厨房里的灶台,只要存在高于环境温度的热源,就是一座待开发的能源宝库。如何把这些“无用”的热量转化为可用电能?热电转换技术被视为极具潜力的路径,而这一路径的核心,在于找到性能优异的热电材料。 理想的热电材料得兼顾三个“矛盾”特性:像铜一样擅长传导电子,像泡沫玻璃一样阻挡热量传递,还能在温差下产生足够大的电压,同时要耐高温、环境友好、成本可控。能同时满足这些条件的材料极为稀缺,直到一种叫“方钴矿”的天然矿物进入科研人员视野。这种矿物有着独特的笼状晶体结构,钴、砷等元素构成刚性三维框架,框架间形成规则排列的“微型笼子”,为性能调控留出了广阔空间。 2001年,我国启动方钴矿热电材料的系统研究,陈立东带领团队进入这一领域。他们没有止步于跟踪国外前沿,而是深入探究填充原子的作用机制。2005年,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,以及这种模式对热传输的强散射机制。此后,团队开始尝试不同原子的填充实验——从稀土元素钡、镱,到碱金属钠、钾,就像在微观世界里调配“配方”:有的原子个头大,振动幅度强;有的原子电荷多,与笼壁作用方式不同。通过反复试验,团队逐渐找到能让热散射效果最优的填充方式。 随着研究深入,团队从单一原子填充转向多种原子协同填充。把不同尺寸、质量的原子同时填入方钴矿的“笼子”,能形成更复杂的声子散射频谱,将材料热导率降至接近理论极限。2011年,团队成功研制出多元素共填充方钴矿材料,其热电优值(衡量热电性能的核心指标)达到当时国际领先水平,标志着我国在该领域跻身世界前列。 有了高性能材料,还要解决器件组装的问题。热电材料多为脆性陶瓷,与金属电极热膨胀系数差异大,冷热交替时界面易产生巨大应力,导致开裂脱落。为破解这一难题,团队2004年引入放电等离子烧结技术,能在几分钟内通过高温高压,让填充方钴矿粉末与电极合金粉末在原子层面紧密结合,实现“瞬间焊接”。在此基础上,团队又设计多层梯度电极,就像在陡峭的坡地上筑出缓坡,让热应力平缓过渡;同时开展长期可靠性测试与批量化制备工艺探索,为工程应用扫清障碍。 二十余年攻关,团队将热电器件的转换效率从最初的不足6%提升至近15%。这意味着什么?以中型卡车为例,发动机尾气温度高达500-600摄氏度,用这套热电模块回收废热,理论上可满足车辆辅助电器用电需求,或为电池充电,带来可观的节能与碳减排效益。目前,填充方钴矿等新型热电材料正逐步走出实验室,应用场景不断拓展——既能成为工业余废热回收的“能源捕手”,也能作为交通运输的“绿色增效器”,还可在深空探索、数据中心冷却等领域发挥作用。 “十五五”规划纲要提出要加快构建清洁低碳安全高效的新型能源体系,热电技术正是实现这一目标的重要抓手之一。陈立东表示,当前热电材料产业化仍面临材料成本、系统集成效率、长期运维成本等挑战,未来借助人工智能技术,研究方向将更趋多元,应用场景也会更加丰富,让更多“废热”转化为支撑绿色发展的“绿电”。

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