Language
Country/Area
No result found
Tại sao hầu hết các vật liệu đều không đủ bền về mặt nhiệt điện? Sự thật đã được tiết lộ!
Khi công nghệ chuyển đổi năng lượng ngày càng nhận được sự chú ý, vật liệu nhiệt điện đã trở thành trọng tâm nghiên cứu. Những vật liệu này có thể chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và ngược lại, mang lại những ứng dụng tiềm năng trong hệ thống làm mát và thu hồi năng lượng. Tuy nhiên, tại sao hiệu ứng nhiệt điện của hầu hết các vật liệu vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu ứng dụng thực tế? Bài viết này sẽ tiết lộ sự thật cũng như những thách thức và hướng phát triển hiện nay của vật liệu nhiệt điện.
Hiệu ứng nhiệt điện là hiện tượng trong đó chênh lệch nhiệt độ tạo ra chênh lệch điện thế hoặc dòng điện tạo ra chênh lệch nhiệt độ.
Khái niệm cơ bản về hiệu ứng nhiệt điện
Hiệu ứng nhiệt điện bao gồm ba hiện tượng chính: Hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Thomson. Việc áp dụng ba hiệu ứng này sẽ mở rộng đáng kể khả năng chuyển đổi năng lượng. Tuy nhiên, mặc dù tất cả các vật liệu đều có hiệu ứng nhiệt điện khác 0 nhưng hiệu ứng này quá nhỏ nên hầu hết không thể hữu ích trong các ứng dụng thực tế.
Ưu điểm và ứng dụng của vật liệu nhiệt điện
Hiện nay, vật liệu nhiệt điện được sử dụng phổ biến nhất là hợp kim dựa trên antimon Telluride (Bi2Te3), loại vật liệu này vượt trội trong các ứng dụng thích hợp như làm mát và thu hồi năng lượng. Với những nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu nhiệt điện, người ta nhận thấy vật liệu nhiệt điện hiệu quả cần phải có ba điều kiện cơ bản: độ dẫn điện cao, độ dẫn nhiệt thấp và hệ số Seebeck cao.
Thách thức về hiệu quả sử dụng vật liệu: Sự cân bằng giữa độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện
Khi khám phá vật liệu nhiệt điện, thách thức chính là sự cạnh tranh giữa độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt. Theo định luật Widmann-Franz, sự gia tăng độ dẫn điện thường đi kèm với sự gia tăng độ dẫn nhiệt, khiến hiệu ứng nhiệt điện của vật liệu khó đạt đến trạng thái lý tưởng. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào cách tối ưu hóa các đặc tính này để cải thiện hệ số giá trị nhiệt điện (Z) của vật liệu.
Để cải thiện tính chất nhiệt điện của vật liệu, các nhà nghiên cứu đã khám phá khả năng tạo ra các vật liệu mới như hợp kim, tinh thể phức tạp và vật liệu nanocompozit.
Hiệu suất thiết bị và hiệu ứng nhiệt điện
Hiệu suất của thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu ở nhiệt độ cụ thể, bao gồm độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và hệ số Seebeck. Trong các thiết bị thực tế, sự kết hợp giữa vật liệu loại n và loại p thường được sử dụng, điều này làm tăng thêm độ phức tạp của hệ thống. Lý tưởng nhất là đặc tính của cả hai vật liệu phải ổn định trong cùng một phạm vi nhiệt độ, nhưng trường hợp này thường không xảy ra.
Hệ số chất lượng của vật liệu nhiệt điện
Hệ số chất lượng của vật liệu phản ánh hiệu quả tiềm năng của nó. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng cải thiện hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện bằng cách tăng mật độ trạng thái của các electron và giảm độ dẫn nhiệt của mạng. Quá trình này đòi hỏi vật liệu hoạt động như một tinh thể trong quá trình truyền điện tử và giống như thủy tinh trong quá trình truyền phonon, một khái niệm được gọi là “tinh thể điện tử thủy tinh phonon”.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, sự phát triển của vật liệu nhiệt điện tiếp tục hướng tới các vật liệu thông thường tiên tiến và hệ thống chiều thấp. Khả năng làm giảm độ dẫn nhiệt của mạng tinh thể của những vật liệu này khiến chúng trở thành chìa khóa cho các hệ thống nhiệt điện trong tương lai. Trong quá trình khám phá các vật liệu mới, các nhà khoa học cũng sẽ xem xét cách đạt được hiệu quả và độ ổn định cao hơn trong nhiều ứng dụng có thể.
"Cho dù là ở mức độ nghiên cứu cơ bản hay ứng dụng cụ thể thì tiềm năng của vật liệu nhiệt điện vẫn đáng được khám phá thêm."
Mặc dù vật liệu nhiệt điện đã cho thấy tầm quan trọng của chúng trong công nghệ hiện tại nhưng chúng vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức. Điều khiến mọi người tò mò là liệu sự đổi mới công nghệ trong tương lai có thể vượt qua những hạn chế này và cải thiện tính thực tiễn cũng như tính kinh tế của vật liệu nhiệt điện hay không?
