背景

对于智能硬件、可穿戴电子设备、智能手机等电子产品来说，电池似乎成为了关键瓶颈：续航时间短、需要反复充电等问题都严重影响着用户体验。

为了解决上述问题，除了改善电池本身性能之外，还有一种办法就是：采用新的能量采集和供应方式。之前，笔者介绍过“自供电”技术。在众多实现自供电方案的方法中，有一种就是：温差（Thermoelectric）发电，也称为“热电”发电。

首先，让我们来简单认识一下温差电效应。它是指在特殊材料中，由于温度差异而产生电压的过程。一般来说，材料的一端较热，另外一端较冷时，电荷载体就会从热的一端向冷的一端移动，形成电动势，从而产生电压。这种材料只需要低于一摄氏度的温差，就能产生检测得到的电压。

温差电效应是由于不同种类固体的相互接触而发生的热电现象。它主要有三种效应：塞贝克（Seebeck）效应、帕尔贴（Peltier）效应与汤姆逊（Thomson）效应。为了让大家更容易理解今天要介绍的创新成果，重点介绍一下塞贝克效应。

塞贝克效应（Seebeck effect）又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。

该效应是法国科学家塞贝克于1821年发现。后来发现，热电势还有如下两个基本性质：第一，中间温度规律，即温差电动势仅与两结点温度有关，与两结点之间导线的温度无关。第二，中间金属规律，即由A、B导体接触形成的温差电动势与两结点间是否接入第三种金属C无关。只要两结点温度T1、T2相等，则两结点间的温差电动势也相等。正是由于这两点性质，温差电现象如今才会被广泛应用。

在未来科技发展中，热电（TE）材料将发挥越来越重要的作用。例如，它可制作成首饰，利用人体热量为植入式医疗设备例如：血糖监测或者心脏监测设备供电；也可以应用于烹饪锅，利用它产生的热量为智能手机充电；或者应用于电动汽车，将发动机的热量转化为电力；还可以应用于飞机，利用机舱和外部冷空气的温差，产生更多的能量；最后，电厂也可以使用这种材料，从浪费的热量中获取更多的电力。

尽管科学家已经探索出一些热电材料的相关应用，然而它们大部分仍局限于在高温设备中。此外，目前用于温差发电的材料，例如镉、碲化物、汞基材料等，都是有毒的。

创新

这些年来，研究人员一直在寻找合适材料，期望既保证无毒环保，又可以制造出更多的电力。最近，日本大阪大学的研究人员与日立公司合作开发了一种新型TE材料，在室温条件下，提高了功率因素。他们的研究成果发表于《Physica Status Solidi RRL》期刊，将帮助热电材料突破高温限制，应用于更广泛的领域。

技术

TE材料具有热电效应：在其一侧施加热量，就会有电流开始流动。相反，为设备施加外部电流，则会形成温度梯度。例如，一侧变得比另外一侧更热。通过热量与电流之间的转换，TE材料可用于电力发电机（给定热源）或者冷冻机（给定电源）。

理想的TE材料应该具有高导电性，允许电流流过；也具有低导热性，防止温度梯度夜间消失。发电性能主要取决于“功率因数”，它与导电性和“塞贝克效应”都成比例。

文章的合著者 Sora-at Tanusilp 表示：“不幸地是，大多数的TE材料通常都是基于稀有或者有毒的元素。为了解决这个问题，我们将硅（一种常用的TE材料）与镱相结合，制造出硅化镱 [YbSi2]。我们从众多材料中选择镱有几个原因。第一，它的化合物都是良好的导体。第二，YbSi2是无毒的。更进一步说，这种化合物具有价态起伏的特性，使之在低温条件下可成为足够优秀的TE材料。”

YbSi2 第一项优势是Yb原子占有混合价态，+2 和 +3。这种起伏，也称为“近藤共振”，在低温条件下保持类金属的高导电性，从而增强了塞贝克效应，并因此增加了功率因素。

第二，YbSi2 具有一种非同寻常的分层结构。Yb 原子占据晶面，与纯Yb金属相似，在这些晶面之间，硅原子形成六边形薄片，类似石墨中的碳原子薄片。这阻止了热量通过材料传导，因此保持了低导热性，保持了温度梯度。研究人员相信热传导会通过控制纳米结构、杂质以及其他缺陷的痕迹，得到进一步抑制。

价值

研究成果非常令人鼓舞，室温条件下功率因素高达2.2 mWm-1K-2。这与传统的基于碲化铋的TE材料相比，非常具有竞争力。正如这项研究的通讯作者 Ken Kurosaki 所解释的：“Yb的使用表明，我们能够通过仔细地选择正确的金属，调解TE材料冲突的需求。室温条件下的TE材料具有适度的功率，可视为对于传统高温、高功率器件的补充。这将帮助TE材料在日常技术中发挥作用。”