温差电池的现状及发展

东北石油大学

电气工程新技术文献综述 2011

年 11月 6日

课程电气工程新技术

研究方向非接触式电能传输技术

院系电气信息工程学院自动化系

专业班级电气08-1班

学生姓名冯小童

学生学号 080603140102

温差电池的现状及发展

摘要:温差电池是利用热电转换材料将热能转化为电能的全静态直接发电方式，具有设备结构紧凑、性能可靠、运行时无噪声、无磨损、移动灵活等优点，有微小温差存在的情况下即可产生电势。在军事、航天、医学、为电子领域具有重要的作用。在现代化经济迅速发展的时期，能源紧缺现象日趋严重，能源与环境问题的日益突出和燃料电池的实用困难，使得温差电池作为适应范围广和符合环保的绿色能源技术吸引了越来越多的关注。本文介绍了温差电池技术的机理，综述了最新研究进展和提高发电效率的途径。

关键词：温差电热能转换温差电池绿色能源

0 引言

温差电技术研究始于20 世纪40 年代，于20 世纪60 年代达到顶峰，并成功的在航天器上实现了长时

发电。近几年来，温差电池不仅在军事和高科技方面，而且在民用方面也表现出了良好的应用前景。日本丰桥科技大学稻垣教授等人首次研制成功世界上第一只温差电池，当前日本在废热利用，特别是陶瓷热能转换材料的研究方面居于世界领先地位；美国倾向于军事、航天和高科技领域的应用；欧盟着重于小功率电源、传感器和运用纳米技术进行产品开发；我国在温差电方面虽有一定实力，但仍处于起步阶段。

1 温差电池简介

温差电池，就是利用温度差异，使热能直接转化为电能的装置。温差电池的材料一般有金属和半导体两种。用金属制成的电池塞贝克效应较小，常用于测量温度、辐射强度等；用半导体制成的温差电池塞贝克塞贝克效应较强，热能转化为电能的效率也较高，因此，可将多个这样的电池组成温差电堆，作为小功率电源。

1.1 塞贝克效应

塞贝克效应，又称为第一热电效应它是指由于温差而产生的热电现象。在两种金属A 和B 组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电视差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。

1.2 帕尔帖效应

1834 年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，一个接头变冷。这

说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。当改变电流方向，吸热端和放热端也会随之改变，这种现象就叫做帕尔帖效应。

1.3 汤姆逊效应

上面所述的两个效应都涉及到由两种不同材料组成的回路。而汤姆逊效应则发现于单一均匀导体中的热电转换现象。如果电流流过有温度梯度的导体，导体中除了产生焦耳热以外，在导体和周围环境之间还会有能量交换，这种现象叫做汤姆逊效应，产生的热成为汤姆逊热。

2 温差电池的研究现状

近年来，国内外已投入大量资金及精力研制微型温差电组件。 Seiko 仪器公司已研制出一种依靠人的体温发电的用于手表的微型温差电池。温差电源件块状材料切割而成，原件截面积 100mm x 100mm，高度约 600mm,该电池尺寸2.0mm x 2.0mm x 1.3.由50 对原件串联构成，温差1K 时产生20mv 电压，输出功率1mw。在手表中将10 个微型温差电池串联起来，为容量4.5mah 锂离子蓄电池充电。美国的喷气动力实验室在温差电池的制造方面投入了大量的精力。他们用氩等离子沉积（Argon plasma deposition ）的方法在硅衬底上沉积上Cr 和Au，然后使用光刻技术做出用于沉积 p、n 型温差材料的微区，接着用电化学沉积法在硅衬底上先后沉积 n型Bi2Te3、Bi2Te3—-x Se-x 和p 型Bi2-x Sb-xTe3 温差电材料，塞贝克系数分别为-80~ -120mv/k 和40~80mv/k，沉积完成后在温差电材料的表面构造导电层并将硅衬底去除。制作的微型温差电池包含高度为20~·60mm 的 n 型及p 型温差电单体几万个。这种器件使用温度范围是室温到500K。由2300 对高度为50mm的微型温差电偶制作的的微温差电池，在温差8.5K，负载电压4.1V 时产生电功率22mw,比功率约为1.3w/cm2，热电转换效率0.4%。清华大学的Li Jing feng 等使用硅刻蚀技术（Silicon molding process）制造微型温差电微器件方面取得了进展。其工艺大致如下：（1）在 Si 片的正反面分别覆盖上掩膜板用反应离子刻蚀技术(RIE)做出深300mm、面积为40mm2 的孔；（2）用类似压膜法的工艺将温差电材料灌注到孔内；（3）通过光刻显影和电沉积技术将p/n 联接起来，并使用XeF2 将Si 刻蚀掉。

3 温差电技术的应用

最早的温差发电机于1942 年由苏联研制成功，发电效率为1.5%~2%。之后一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差电技术的发展。从20 世纪60 年代开始陆续有一批温差电技术的发电机成功的哦能够与航天飞机、军事和远洋探索。近几年随着科学技术的不断进步，温差发电机正逐渐拓宽其应用领域，不仅在军事和高科技方面，而且在民用方面也表现出良好的义勇前景，随着能源与环境危机的日益逼近，科学家在利用低品位与废能源发电方面加大了研究力度，部分研究成果已步入产业化。

3.1 远程空间探索

自从 1969 年阿波罗号飞船成功登陆月球，人类对太空的探索一直不断深入地进行中。随着探索空间的拓展，对太空中应用的电池也提出了较高的要求。太阳能电池在远离太阳、黑暗、冰冷和空洞的世界里很难发挥作用。使用热源

稳定、结构紧凑、性能可靠、寿命长的放射性同位素温差发电系统成为理想的选择。利用温差电技术，一枚硬币大小的放射性同位素热源能够提供长达二十年以上的连续不断的电能，这是其他任何一种热能源技术所不能比拟的。而且温差发电系统拥有更诱人的体积和重量。这使得发电机的重量大大的减小，完全可以满足飞船在航行、通讯和科学一起使用方面的所有用电要求.

3.2 军事

为满足陆军对电源系统的特殊要求---轻便、灵活、充电方便等，从1999 年开始，美国能源部启动了“能源收获科学与技术项目”，研究利用温差发电模块，将士兵的体热收集起来用于电池充电。其近期目标是实现对 12 小时的作战任务最少产出 250 瓦小时的电能，目前该研究项目取得了多项研究成果。

3.3 远距离通讯、导航和设备保护

温差电技术性能稳定、无需维护的特点使其在发电和输送点困难的偏远地区发挥着重要的作用。已用于基地、沙漠、森林等无人地区的微波中继电站电源、远地自动无线电接收装置和自动天气预报站、无人航标灯、油管的阴极保护等。

3.4 小功率电源

体积小、重量轻、无振动、无噪音使温差发电机非常适合用作小功率电源（小于5W），在各种无人监视的传感器、微笑短程通讯装置以及医学和生理学研究用微小型发电机、传感电路、逻辑门和各种纠错电路需要的短期微瓦、毫瓦级电能方面，温差技术均可发挥其独特的作用。

3.5 温差电传感器

最近，基于热电转化材料的 Seebeck 效应，许多新兴的温差电传感器被研制成功，并用于低温温度测量、单像素红外线和X 射线探测、氢气和其他可燃气体泄漏检测等。

4 温差电池的发展趋势

现在，就整体温差电池发展水平而言，我国与国外仍存在着一定的差距，并且发展较为缓慢。特别是在应用方面，我国比较缺乏相关技术以及市场的支持。作为一种环境友好型的节能技术，温差电池在能源技术起到非常重要的作用，在军事、航天或是其他科研领域也都具有潜在的应用价值。所以，我国深入开展温差电池技术的研究，有着十分重要的意义。

总结

21 世纪是一个以绿色能源为主的高技术时代，对温差电池的应用必将随着社会的进步而不断扩展。最近，在温差电池领域出现了许多新的概念和应用实例。随着对热电材料研究的不断深入和热电性能的进一步提高，伴随制造技术的成熟，我们相信温差电池必将给人类的生活带来一场新的革命。利用更为先进的温差电池，我们可以收集多余的热量，变废为宝；为汽车提供辅助电源和车载空调；利用自己的提问发电驱动风扇或者给手机充电。人类将逐渐解决能源危机的问题，并不再为能源使用中所带来的环境污染而苦恼。

参考文献