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热机能量转换瓶颈被打破 精选

已有 5476 次阅读 2023-11-25 08:04 |系统分类:海外观察

热机能量转换瓶颈被打破

热电发电机是将热量直接转化为电能的固态设备,对于发电和再利用其他释放的热能的应用非常宝贵。一个说明性的例子是放射性同位素热电发电机,它为旅行者号探测器在外层空间提供动力已有四十多年。热电材料的性能取得了显著的进步 (13)。然而,由于缺乏构成器件内电极和热电材料之间界面的坚固材料,它们在热电发电机中的使用受到了阻碍 (4)。在本期《科学》921页,Xie et al.(5)报告了一种有前途的策略,用于识别不同热电材料的最佳界面材料。这可以打破推进热电发电的瓶颈,并最终降低能源成本和排放(6)。

热电发电机通常在苛刻的热和机械条件下运行,包括较大的温度梯度、热应力和机械疲劳 (7)。除了材料固有的热电特性外,热电材料和电极之间的界面对器件的输出性能和长期稳定性也有相当大的影响。在运行过程中,界面处的原子扩散和化学反应会导致器件不稳定和退化,尤其是在高温下。为了抵消这些不利影响,必须加入高效稳定的原子扩散屏障,称为热电界面材料(TEiM)。TEiM 的传统选择标准围绕着匹配热膨胀以实现机械稳健性和对齐功函数以实现低接触电阻 (8)。然而,传统上,候选材料是通过反复试验来确定的,依赖于直觉和经验。这个过程既费时又费钱。

为了解决这一难题,Xie et al.采用了一种综合方法,利用了目标热电材料和选定金属的多组分相图。通过密度泛函理论(DFT)计算构建相图,这是一种研究材料电子结构和性质的量子力学方法。这种方法可以检查多组分系统内的热力学相平衡,并为在平衡化学反应的基础上选择TEiM提供有价值的信息。作者利用广泛使用的开放量子材料数据库(DFT 计算的超过 100 万种材料的热力学和结构特性的资源)来计算这些相图 (9)。

在MgAgSb(一种工作温度低于573 K的高性能热电材料)的情况下(10),Xie等人建立了四元M-Mg-Ag-Sb相图,其中M代表选定的金属元素。这些相图有助于筛选与MgAgSb表现出稳定的两相平衡的潜在TEiM。对MgCuSb进行了鉴定、合成和表征,表明其热膨胀和功函数与MgAgSb非常吻合。MgAgSb和MgCuSb之间的相界表现出有限的原子相互扩散,表明这两种材料具有有效的粘附性。值得注意的是,在退火的MgAgSb/MgCuSb结中,MgCuSb在低于1 μhm cm2的电流流过界面的难度下表现出出色的热稳定性测量。在300 K温差范围内,采用MgCuSb和MgAgSb的组件表现出9.25%的热电转换效率(见图)。这些结果通过三个国家的三个实验室的国际循环测试得到证实。此外,Xie等人成功地将TEiM筛选策略扩展到其他热电材料,包括Bi0.5某人1.5TE3ZnSb、CoSb3 ZrCoSb。

最近,一种植根于相图的类似方法被应用于热电材料GeTe(11)。由此产生的模块使用 NiGe 作为 GeTe 的界面材料,在 545 K 温差下实现了创纪录的 12% 效率。然而,Xie等人的普遍适用性和验证过程使他们的界面材料筛选方法在该领域取得了重大进展。

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相图计算是传统冶金和陶瓷中广泛采用的工具,用于预测化合物稳定性和指导合成条件 (12)。当与DFT计算相结合时,该技术的多功能性和可及性使其有利于设计新的高性能功能材料,如TEiM(5,11),高熵材料(13)和储氢材料(14)。尽管如此,谨慎的做法是承认DFT方法中的一些固有局限性,这些局限性可能会影响计算结果(15)。例如,它在处理弱相互作用(如范德华力)和强相关系统(如过渡金属催化剂和包含局域电子态的系统)方面表现不佳。此外,在有限温度下计算相图可能很困难,并且可能会忽略一些高温稳定相 (11)。

随着设备制造技术的不断进步,商业化热电发电机的广泛实施将变得越来越可行。谢等人的策略。可能是通过提供清洁和可持续的能源来帮助彻底改变发电所需的突破。

 



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