“点热成电”，挖掘能源金矿（院士讲科普）

　　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，点热成电加快构建清洁低碳安全高效的挖掘新型能源体系，建设能源强国。金矿讲科

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

　　——编 者

　　在中国科学院上海硅酸盐研究所的挖掘一间实验室里，数块名片大小的金矿讲科灰黑色材料片，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。

来源：人民日报

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