資料來源：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所　　

“十五五”規(guī)劃綱要提出，深入實施能源安全新戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔低碳安全高效的新型能源體系，建設(shè)能源強(qiáng)國。

熱電技術(shù)能將消散的熱量重新集結(jié)、化為電能，為綠色低碳生活提供有力支撐。本期“院士講科普”，我們請中國科學(xué)院院士、熱電材料專家陳立東講述“點熱成電”背后的科技魅力。

——編 者

在中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的一間實驗室里，數(shù)塊名片大小的灰黑色材料片，借助兩端200多攝氏度的溫差，持續(xù)輸出電能。這些看起來不起眼的“灰片”，正是中國科學(xué)院院士、熱電材料專家陳立東鉆研20多年的熱電材料，經(jīng)過研究，這些材料被賦予了“點熱成電”的魔力，承載著將廢棄熱能轉(zhuǎn)化為清潔電力的科學(xué)設(shè)想。

“全球范圍內(nèi)，人類所使用的初級能源中有超過60%最終以廢熱形式散失于環(huán)境。從鋼鐵廠熾熱的煙道到汽車的排氣管，甚至是我們廚房里的灶臺——只要存在溫度高于環(huán)境的熱源，就有一座未被開發(fā)的‘能源金礦’。”陳立東說。

如何高效開采“能源金礦”?熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是極具潛力的有效路徑。陳立東院士團(tuán)隊在熱電材料上取得的一系列突破，正讓這條路徑變得越來越清晰、可行。

熱電轉(zhuǎn)換關(guān)鍵在材料

熱電效應(yīng)是什么?讓我們回到19世紀(jì)初的一個場景：當(dāng)?shù)聡锢韺W(xué)家托馬斯·塞貝克將手指放在一個鉍的塊體上，放在線圈里的指南針突然轉(zhuǎn)動，用酒精燈燒這個鉍的塊體，轉(zhuǎn)動則更明顯。這就是熱電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。它揭示了由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路兩端存在溫差時，回路中會產(chǎn)生電流——這就是熱電材料發(fā)電的物理基礎(chǔ)。

“原理看似簡單，但將實驗室現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、高效、可規(guī)?；瘧?yīng)用的工程技術(shù)有很大挑戰(zhàn)。”陳立東介紹，“主要瓶頸在于材料。一個理想的熱電材料，需要扮演一個‘矛盾角色’：它必須像銅一樣善于傳導(dǎo)電子(高電導(dǎo)率)，同時又得像泡沫玻璃一樣阻擋熱量的直接傳遞(低熱導(dǎo)率)，并且還能產(chǎn)生大的電壓(溫差電勢)。只有這樣，材料兩端才能建立并維持足夠的溫差，從而持續(xù)輸出高功率。此外，它還必須在高溫下保持穩(wěn)定，對環(huán)境友好且成本可控。”

能夠完美達(dá)到這些嚴(yán)苛條件的材料非常稀缺。一種被稱為“方鈷礦”的天然礦物受到關(guān)注，它的晶體結(jié)構(gòu)非常特殊，由鈷、砷等元素構(gòu)成一個剛性的三維框架、籠狀晶體結(jié)構(gòu)，框架中間形成了一個個排列規(guī)則的孔洞，就像燈籠或鳥籠。“這些空‘籠子’為我們打開了廣闊的性能調(diào)控空間。”陳立東介紹。

上世紀(jì)90年代，國外科學(xué)家率先嘗試將外來原子填入方鈷礦的“籠”內(nèi)。結(jié)果令人振奮：這些被填入的原子在“籠”內(nèi)像一個個活躍的“彈珠”，對傳播熱量的聲子(晶格振動)形成了極其強(qiáng)烈的散射。

“這相當(dāng)于在材料內(nèi)部構(gòu)建了高效的‘聲子散射網(wǎng)絡(luò)’。”陳立東說，“原來的熱量在晶格中傳遞，好比汽車在空曠的高速公路上飛馳。現(xiàn)在，我們填入的原子就像無數(shù)個隨機(jī)出現(xiàn)、劇烈振動的‘減速帶’和‘路障’，極大地阻滯了‘熱流車輛’的速度，從而大幅降低了材料的晶格熱導(dǎo)率。同時材料的電學(xué)傳輸通道受到的影響相對較小。”這樣一來，方鈷礦的短板——熱導(dǎo)率高的情況就得以彌補(bǔ)。

這類新材料被命名為“填充方鈷礦”。它們的出現(xiàn)為熱電材料研究打開了一扇新大門，并迅速成為該領(lǐng)域前沿?zé)狳c。

嘗試原子填充，找到“最佳配方”

2001年，我國開始了對方鈷礦熱電材料的系統(tǒng)研究。陳立東進(jìn)入中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，致力于開發(fā)填充方鈷礦等中高溫?zé)犭姴牧稀?/p>

“跟蹤前沿固然重要，更要知其所以然，并實現(xiàn)超越。”陳立東及其團(tuán)隊不僅致力于開發(fā)新材料配方，更深入探究其背后的物理機(jī)制。2005年，陳立東與合作團(tuán)隊揭示了填充原子在方鈷礦籠狀結(jié)構(gòu)中的“局域化”振動模式及其對熱傳輸?shù)膹?qiáng)散射機(jī)制。

團(tuán)隊嘗試用不同特性的原子進(jìn)行“填充”。從單一的稀土元素(如鋇、鐿)，到堿金屬(如鈉、鉀)，探索的步伐不斷加快。“就像在微觀世界里進(jìn)行‘烹飪’實驗。”陳立東說，“不同的填充原子是不同的‘調(diào)味料’，有的原子‘個頭大’，振動幅度強(qiáng);有的原子‘電荷多’，與籠壁相互作用不同。我們要找到‘最佳配方’，讓籠中振動達(dá)到最理想的狀態(tài)，從而實現(xiàn)熱電性能的極致優(yōu)化。”

探索很快從“單填”走向“共填”——通過將兩種或三種不同尺寸、不同質(zhì)量的原子協(xié)同填入方鈷礦晶格籠，可以產(chǎn)生更復(fù)雜、更高效的聲子散射頻譜，將熱導(dǎo)率降至接近理論極限。2011年，團(tuán)隊成功研制出多種元素原子共填充的方鈷礦材料，其熱電優(yōu)值(衡量熱電性能的核心指標(biāo))達(dá)到了當(dāng)時同類材料的國際領(lǐng)先水平，標(biāo)志著我國在該材料體系的研究躋身世界前列。

轉(zhuǎn)換效率提升，走向廣闊應(yīng)用

擁有高性能的塊體材料，只是第一步。如何將這些脆性的陶瓷類材料片與金屬電極更好地連接起來，組裝成能承受高溫、大溫差、振動等嚴(yán)苛考驗的堅固熱電發(fā)電模塊?

陳立東說：“熱電材料與金屬電極的熱膨脹系數(shù)往往差異很大。在反復(fù)的升降溫循環(huán)中，一個‘脹’得多，一個‘脹’得少，界面處會產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致連接處開裂、脫落，器件失效。這好比用水泥和木頭緊緊黏合，太陽一曬，木頭膨脹小，水泥膨脹大，接合部必然開裂。”

為了克服這一難題，團(tuán)隊2004年就引入并發(fā)展了“放電等離子燒結(jié)”技術(shù)，能在短短幾分鐘內(nèi)施加高溫、高壓，將填充方鈷礦粉末與特定配方的電極合金粉末一次性燒結(jié)成形。“這個過程就像‘閃電焊接’，在原子尺度上讓兩者緊密結(jié)合。”陳立東說。

此后，團(tuán)隊開展了一系列系統(tǒng)性、工程化研究。比如“在懸崖筑緩坡”——通過設(shè)計多層的梯度電極，緩沖材料與終端電極之間的熱膨脹失配，讓熱應(yīng)力平緩過渡。同時開展長期可靠性驗證與批量化制備工藝探索，為未來工程應(yīng)用鋪路。

20多年來，團(tuán)隊將熱電器件的轉(zhuǎn)換效率從不到6%提升到了接近15%。

接近15%的轉(zhuǎn)換效率意味著什么?陳立東舉例說：“以中型卡車為例，其發(fā)動機(jī)排放的尾氣溫度高達(dá)500—600攝氏度。如果利用我們的模塊回收這部分廢熱發(fā)電，理論上可以滿足車輛部分輔助電器的用電需求，或為電池充電，帶來可觀的節(jié)能收益和碳減排量。”

目前，填充方鈷礦等系列新型熱電材料正從實驗室走向更廣闊的應(yīng)用天地。陳立東描繪了熱電技術(shù)深度融入生產(chǎn)生活的場景：工業(yè)余廢熱回收的“能源捕手”、交通運輸?shù)?ldquo;綠色增效器”、深空探索的“心臟”、數(shù)據(jù)中心與芯片的“貼身冷卻師”……

“目前，材料成本、系統(tǒng)集成效率、長期運行維護(hù)成本，都是產(chǎn)業(yè)化道路上需要持續(xù)優(yōu)化的課題。”陳立東認(rèn)為，借助人工智能，未來研究方向?qū)⒏佣嘣瑧?yīng)用場景也將更加豐富。