通过新型有效可靠的同源热电模块捕获电能

作为提高化石燃料利用效率和减轻环境污染最有希望的解决方案之一，热电(TE)发电技术具有固态运行、无运动部件工作、免维护和延长服务等优点。在过去的几十年中，人们为提高 TE 材料的性能做出了相当大的努力。并出现了一些优良的合金，如IV-VI化合物(如SnSe、GeTe和PbSe)、方钴矿和Cu 2硒。这些在提高 TE 材料性能方面取得的前所未有的进步是重要的推动步骤，预示着 TE 设备的广泛应用。然而，TE 设备技术的进步进展较慢。目前的努力主要集中在单腿或单耦合问题上，例如电极的设计、阻挡层的筛选和界面优化。单腿对于评估特定 TE 材料的潜力非常有用，但离实际应用还很远。对于工业应用，需要开发由 n 型和 p 型 TE 材料组成的模块。然而，模块的开发比单腿的制造更具挑战性。更多的问题应该得到精心解决，例如匹配n型和p型TE材料的开发，TE腿的几何优化，多腿的焊接和组装，以及模块的效率和可靠性评估。此外，目前正在使用或研究的大多数 TE 组件都含有稀有元素(如 Te)或有毒元素(如 Pb)，这对大规模应用构成了潜在障碍。

近年来，基于 Mg 3 Sb 2的化合物由于其无毒性质、丰富的组成元素和出色的机械强度而引起了 TE 界的极大兴趣。受p型Mg 3 Sb 2转变为n型Mg 3 Sb 2的启发，后续对该类化合物的研究蓬勃发展。过去五年取得了重大进展，实现了 TE 性能的改进。这一令人振奋的结果使得低成本且环保的 Mg 3 Sb 2基化合物有望替代最先进的含 Te 或 Pb 合金，用于中温 TE 发电。它最近激起了人们对其设备开发的浓厚研究兴趣。在单腿水平上，已经在n型Mg 3 Sb 2的可扩展合成、可靠的结界面设计和阻挡层筛选方面做出了努力。一个值得注意的结果是，在 400 K 的温差和 700 K 的热源温度下，可以实现约 10% 的单腿效率，表明在中温发电应用中具有良好的潜力。在单耦合或模块级别，不同的 p 型 TE 化合物，例如 Bi 2 Te 3、MgAgSb、GeTe、CdSb 和 CoSb3，已用于与n-Mg 3 Sb 2配对。由不同材料组合制成的组件在低温和中温范围内具有出色的发电性能。

然而，值得注意的是，这些模块都是使用不同母体的 n 型和 p 型 TE 化合物制造的。由于这些 n 型和 p 型合金的 TE 和化学性质不同，因此需要进行繁琐的器件几何设计和单独选择合适的阻挡层。更关键的是，用于发电的TE模块通常在大温度梯度(例如300~500 K用于中温发电应用)和温度波动下工作，因此n型和p型TE材料的物理参数差异，例如热膨胀系数，将导致高热应力，很容易导致设备在使用过程中发生故障。此外，不同 n 型和 p 型 TE 材料的熔点和可加工性的差异对焊接和组装过程施加了额外的限制。因此，人们强烈希望使用相同的母体 TE 化合物开发高效且坚固的 TE 模块，以便材料性能的出色匹配将有助于模块制造并确保长期稳定运行。并且在实际应用中得到了很好的证明，例如市售的Bi2 Te 3模块、宇航局在深空探测中使用的PbTe模块和SiGe模块，都是由相同的母体n型和p型TE材料制成的。

为了应对这一挑战，最近，由东华大学 (DHU) 的万江教授和王连军教授以及德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所 (IFW Dresden) 的张启昊博士领导的 TE 研究团队开发了新型 TE 模块，包括n 型和 p 型 Mg 3 Sb 2基合金。同母体p型和n型Mg 3 Sb 2基颗粒是使用机械合金化和放电等离子烧结制造的。由于这两种化合物具有相似的晶体结构和相似的化学成分，因此显示出匹配良好的 TE 和机械性能。有限元模拟证实，实现最大转换效率的最佳支腿横截面积比约为1.0，这有利于模块的组装。热机械耦合计算表明，由 p 型和 n 型 TE 元件之间的热膨胀差异引起的热应力被最小化。铁被用作 n 型和 p 型腿的扩散阻挡层。并采用一步烧结工艺制造 TE 接头，从而实现了低界面接触电阻率的牢固结合。此外，全镁3基于Sb 2的 TE 模块是通过开发一种使用 Ag 复合浆料的新连接工艺制造的，该工艺允许低温组装，能够承受更高的工作温度。所有这些努力造就了一个完全基于 Mg 3 Sb 2的模块，该模块具有 7.5% 的高效率，可在 673 K 的热源温度下捕获电能，并具有出色的模块抗热循环可靠性。这些结果成功地说明了开发所有基于 Mg 3 Sb 2的模块以从低品位但极其丰富的废热中高效发电的巨大潜力。

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