Language
Country/Area
No result found
Почему термоэлектрические эффекты большинства материалов недостаточно сильны? Правда раскрыта!
Поскольку технологиям преобразования энергии сегодня уделяется все больше внимания, в центре внимания исследований оказались термоэлектрические материалы. Эти материалы могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот, предлагая потенциальное применение в системах рекуперации энергии и охлаждения. Однако почему термоэлектрические эффекты большинства материалов до сих пор не отвечают потребностям практического применения? Эта статья раскроет правду, а также текущие проблемы и направления развития термоэлектрических материалов.
Термоэлектрический эффект — это явление, при котором разница температур приводит к разнице потенциалов, а ток — к разнице температур.
Основные понятия термоэлектрического эффекта
Термоэлектрический эффект охватывает три основных явления: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона. Применение этих трёх эффектов значительно расширяет возможности преобразования энергии. Однако, хотя все материалы обладают ненулевым термоэлектрическим эффектом, этот эффект слишком мал, чтобы большинство из них можно было использовать в практическом применении.
Преимущества и применение термоэлектрических материалов
В настоящее время наиболее часто используемым термоэлектрическим материалом является сплав на основе теллурида сурьмы (Bi2Te3), который отлично подходит для нишевых применений, таких как охлаждение и рекуперация энергии. В результате углубленных исследований термоэлектрических материалов было обнаружено, что эффективные термоэлектрические материалы должны иметь три основных условия: высокая электропроводность, низкая теплопроводность и высокий коэффициент Зеебека.
Проблемы эффективности материалов: компромисс между теплопроводностью и электропроводностью
При исследовании термоэлектрических материалов ключевой проблемой является конкуренция между электропроводностью и теплопроводностью. Согласно закону Видмана-Франца, увеличение электропроводности обычно сопровождается увеличением теплопроводности, что затрудняет достижение термоэлектрического эффекта материала до идеального состояния. Текущие исследования сосредоточены на том, как оптимизировать эти свойства для улучшения термоэлектрической эффективности (Z) материала.
Чтобы улучшить термоэлектрические свойства материалов, исследователи изучили возможности создания новых материалов, таких как сплавы, сложные кристаллы и нанокомпозиты.
Эффективность устройства и термоэлектрический эффект
Эффективность термоэлектрического устройства зависит от свойств материала при определенной температуре, включая электропроводность, теплопроводность и коэффициент Зеебека. В реальных устройствах обычно используется комбинация материалов n- и p-типа, что еще больше увеличивает сложность системы. В идеале свойства обоих материалов должны оставаться стабильными в одном и том же температурном диапазоне, но зачастую это не так.
Добротность термоэлектрических материалов
Добротность материала отражает его потенциальную эффективность. Исследователи пытаются повысить эффективность термоэлектрического преобразования за счет увеличения плотности состояний электронов и снижения теплопроводности решетки. Этот процесс требует, чтобы материал вел себя как кристалл во время передачи электронов и как стекло во время передачи фононов. Эта концепция известна как «электронные кристаллы фононного стекла».
Будущие направления исследований
С развитием науки и техники развитие термоэлектрических материалов продолжает двигаться в сторону передовых традиционных материалов и низкоразмерных систем. Потенциал этих материалов по снижению теплопроводности решетки делает их ключевыми для будущих термоэлектрических систем. В процессе изучения новых материалов ученые также будут рассматривать способы достижения более высокой эффективности и стабильности в различных возможных приложениях.
«Будь то фундаментальные исследования или конкретные уровни применения, потенциал термоэлектрических материалов по-прежнему заслуживает дальнейшего изучения».
Хотя термоэлектрические материалы доказали свою важность в современных технологиях, они по-прежнему сталкиваются с множеством проблем. Людей интересует вопрос, смогут ли будущие технологические инновации преодолеть эти ограничения и улучшить практичность и экономичность термоэлектрических материалов?
