研究人员找到了一种将废热转化为电能以驱动小型设备的新方法

时间：2021-09-24 14:52:17 来源：

该图显示了研究人员在Fe3Ga样品中如何存在电能。

薄的铁基发电机利用废热来提供少量功率。

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，价格非常便宜。基于这种材料的发电机可以为小型设备（如遥感器或可穿戴设备）供电。该材料可以很薄，因此可以成型为各种形式。

没有免费的午餐或免费的能源。但是，如果您的能量需求足够低，例如，在某种小型传感器的情况下，则有一种方法可以利用热能来为您的电源供电，而无需电线或电池。东京大学固体物理研究所和物理系的实验室副研究员Ak藤明人（Akito Sakai）及其研究小组的成员，由中本聪二郎（Satoru Nakatsuji）教授领导，以及由有田良太郎教授（Ryotaro Arita）领导的应用物理系的研究人员采取了这一措施。他们创新的铁基热电材料的目标。

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。

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会在垂直于合适材料表面的温度梯度方向上产生电压。如果更容易获得合适的材料，这种现象将有助于简化热电发电机的设计并提高其转换效率。

该图显示了导致异常能斯特效应的节点网结构。

酒井说：“我们通过一种称为掺杂的工艺制成了一种铁含量为75％，铝（Fe3Al）或镓（Fe3Ga）为25％的材料。”“这大大提高了ANE。与未掺杂的样品相比，我们看到电压跃升了二十倍，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。该设备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。”

在最近的时间之前，材料科学的这种发展主要来自重复的迭代和改进，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。

“数值计算极大地促进了我们的发现；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。”

“到目前为止，这种数值计算非常困难，” Arita说。“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。我们都希望有一天能根据我们的发现来查看设备。”

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参考：酒井明人，南进进，小口隆史，大成陈，智谷智矢，王阳明，野本卓也，平山元明，三尾真治，西尾羽man大辅，石井文行，有田亮太和中智悟（Satoru Nakatsuji），2020年4月27日，自然。
10.1038 / s41586-020-2230-z

这项工作部分由CREST（JPMJCR18T3），PRESTO（JPMJPR15N5），日本科学技术局以及教育，文化，体育，科学部的创新领域科学研究补助金（JP15H05882和JP15H05883）提供部分支持。日本科学技术协会，以及来自日本科学促进会（JSPS）的科学研究补助金（JP16H02209，JP16H06345，JP19H00650）。第一原理计算工作部分得到了JSPS创新领域科学研究的资助（JP18H04481和JP19H05825）以及MEXT作为社会和科学的优先课题（新功能设备和高性能材料的创造）的支持。以支持下一代产业）可以通过使用后K型计算机（hp180206和hp190169）来解决。

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