新型热电材料在室温下工作效率高且成本低

德州大学超导中心主任任志峰(右)和博士后研究员毛军表示，一种新型热电制冷材料生产成本低廉，在室温下工作效率高。

今年夏天你的方向盘是不是太热了，碰都碰不到?发表在《科学》(Science)杂志上的一种新型热电材料可能会提供帮助。

由于缺乏在室温下既便宜又高效的材料，可以直接将电能转化为热能用于冷却和加热的热电设备的广泛采用受到了部分阻碍。

现在，休斯顿大学和麻省理工学院的研究人员报告说，他们发现了一种新材料，这种材料在室温下工作效率很高，而且几乎不需要昂贵的碲，而碲是目前最先进材料的主要成分。

在线发表的一篇论文中描述的工作,由科学周四,7月18日,有可能申请保持电子设备,车辆和其他组件过热,说锋任,通讯作者的工作和德州超导中心主任,他也是安德森的物理学教授。

“我们已经生产了一种新的材料，它很便宜，但性能几乎和传统的、更昂贵的材料一样好，”任说。研究人员说，未来的工作可能会缩小他们的新材料和传统材料之间的细微性能差距，这是一种铋碲合金。

热电材料的工作原理是利用热流从一个较热的区域流向一个较冷的区域，热电制冷模块根据Peltier效应工作，Peltier效应描述了两个电接点之间的热量传递。

热电材料还可用于将发电厂、汽车排气管和其他来源的余热转化为电能，据报道，有许多新材料用于这种应用，这种应用要求材料在更高的温度下工作。

热电制冷模块面临着巨大的挑战，因为它们必须在较低的温度下工作，而热电性能指标(ZT)较低，因为它依赖于温度。质量分数是用来衡量热电材料工作效率的一个指标。

尽管面临挑战，热电制冷模块至少目前还具有更大的商业潜力，部分原因是它们可以在较低的温度下长时间运行;热电联产由于其运行的高温(包括氧化和热不稳定性)而变得复杂。

热电制冷市场正在增长。研究人员写道:“2018年全球热电模块市场价值约6亿美元，预计到2027年将达到约17亿美元。”

数十年来，铋碲合金一直被认为是性能最佳的热冷却材料，但研究人员表示，碲的高成本限制了其广泛应用。该论文第一作者、密歇根大学博士后研究员毛军(Jun Mao)表示，最近成本有所下降，但仍在每公斤50美元左右。相比之下，新材料的主要成分镁的价格约为每公斤6美元。

除了任和毛，这篇论文的其他作者还包括朱航天、刘子航和盖塔尔•阿米拉•加马吉，他们都来自哈佛大学物理系和清华大学，以及麻省理工学院机械工程系丁志伟和陈刚。

他们报告说，这种新材料由镁和铋组成，以带负电荷的n型形式产生，几乎和传统的铋碲材料一样有效。他们说，再加上较低的成本，应该会扩大热电模块用于冷却的使用。

为了用这种新材料制造热电模块，研究人员将其与传统铋碲合金的p型正电荷载流子相结合。毛说，这使得他们只能使用目前大多数模块的一半碲。

他说，因为材料成本约占该设备成本的三分之一，所以节省下来的成本加在一起就足够了。

研究人员报告说，这种新材料比大多数纳米结构材料更能成功地保持电接触。