铁基电机利用废热竟然能提供少量电力!

研究人员找到了一种利用无毒材料将热能转化为电能的方法。该材料主要是铁,鉴于其相对丰富,因此非常便宜。基于这种材料的发电机可以为小型设备供电,例如遥感器或可穿戴设备。该材料可以很薄,因此可以成型为各种形式。

利用热能来供电

没有免费的午餐或自由的能量。但是,如果您的能量需求足够低(例如,对于小型传感器而言),则有一种方法可以利用热能来供电,而无需使用电线或电池。坂井聪之教授领导的东京大学固体物理研究所和物理系实验室研究员坂井明人和他的实验室成员,以及有田良太郎教授领导的应用物理系的研究人员采取了措施。他们创新的铁基热电材料的目标。

中津治说:“到目前为止,所有有关热电发电的研究都集中在既定但有限的塞贝克效应上。” “相比之下,我们专注于一种相对较不为人所知的现象,称为异常能斯特效应(ANE)。”

ANE产生的电压垂直于合适材料表面的温度梯度方向。如果更容易获得合适的材料,这种现象可以简化热电发电机的设计并提高其转换效率。酒井说:“我们通过一种称为掺杂的工艺制造了一种铁含量为75%的铁,铝含量为25%的铝(Fe 3 Al)或镓含量为(Fe 3 Ga)的材料。” “这极大地提高了ANE。与未掺杂样品相比,我们看到电压跃升了20倍,这真是令人兴奋。”

基于异常能斯特效应(左)和塞贝克效应(右)的热电设备。(V)代表电流方向,(T)代表温度梯度,(M)代表磁场。图片来源:©2020 Sakai等

新型材料问世

酒井说:“我们通过一种称为掺杂的工艺制造了一种铁含量为75%的铁,铝含量为25%的铝(Fe 3 Al)或镓含量为(Fe 3 Ga)的材料。” “这极大地提高了ANE。与未掺杂样品相比,我们看到电压跃升了20倍,这真是令人兴奋。”

这不是该团队第一次展示ANE,但先前的实验所使用的材料比铁更不易获得且价格更高。该装置的吸引力部分是其低成本和无毒的组成部分,还在于它可以制成薄膜形式,以便可以模制成适合各种应用的事实。

Sakai解释说:“现在,我们可以创建的薄而灵活的结构比基于塞贝克效应的发电机能更有效地收集能量。” “我希望我们的发现可以导致热电技术为可穿戴设备,电池无法实现的无法到达的地方的遥感器等提供动力。”

该图显示了导致异常能斯特效应的节点网结构。图片来源:©2020 Sakai等

研究结果

在最近的一段时间之前,材料科学的这种发展主要来自重复的迭代和精炼,这既耗时又昂贵。但是,该团队严重依赖用于数值计算的计算方法,从而有效地缩短了从最初的构想到成功的证明之间的时间。

中津治说:“数值计算为我们的发现做出了很大贡献;例如,高速自动计算帮助我们找到了合适的材料进行测试。” “基于量子力学的第一原理计算简化了分析电子结构的过程,我们称其为对我们的实验至关重要的节点网。”

有田说:“到目前为止,这种数值计算非常困难。” “因此,我们希望不仅我们的材料,而且我们的计算技术也可以对其他人有用。我们都热衷于一天根据我们的发现来查看设备。”

该研究发表在《自然》上。

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