柔性熱電器件應用於可穿戴電子設備示意圖。

陳立東院士在做科普講座。

方鈷礦結構圖。 　　以上圖片均為中國科學院上海硅酸鹽研究所提供

資料來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所

　　“十五五”規劃綱要提出，深入實施能源安全新戰略，加快構建清潔低碳安全高效的新型能源體系，建設能源強國。

　　熱電技術能將消散的熱量重新集結、化為電能，為綠色低碳生活提供有力支撐。本期“院士講科普”，我們請中國科學院院士、熱電材料專家陳立東講述“點熱成電”背后的科技魅力。

　　——編  者  

　　在中國科學院上海硅酸鹽研究所的一間實驗室裡，數塊名片大小的灰黑色材料片，借助兩端200多攝氏度的溫差，持續輸出電能。這些看起來不起眼的“灰片”，正是中國科學院院士、熱電材料專家陳立東鑽研20多年的熱電材料，經過研究，這些材料被賦予了“點熱成電”的魔力，承載著將廢棄熱能轉化為清潔電力的科學設想。

　　“全球范圍內，人類所使用的初級能源中有超過60%最終以廢熱形式散失於環境。從鋼鐵廠熾熱的煙道到汽車的排氣管，甚至是我們廚房裡的灶台——只要存在溫度高於環境的熱源，就有一座未被開發的‘能源金礦’。”陳立東說。

　　如何高效開採“能源金礦”？熱電轉換技術是極具潛力的有效路徑。陳立東院士團隊在熱電材料上取得的一系列突破，正讓這條路徑變得越來越清晰、可行。

　　熱電轉換關鍵在材料

　　熱電效應是什麼？讓我們回到19世紀初的一個場景：當德國物理學家托馬斯·塞貝克將手指放在一個鉍的塊體上，放在線圈裡的指南針突然轉動，用酒精燈燒這個鉍的塊體，轉動則更明顯。這就是熱電效應的發現。它揭示了由兩種不同導體構成的回路兩端存在溫差時，回路中會產生電流——這就是熱電材料發電的物理基礎。

　　“原理看似簡單，但將實驗室現象轉化為穩定、高效、可規模化應用的工程技術有很大挑戰。”陳立東介紹，“主要瓶頸在於材料。一個理想的熱電材料，需要扮演一個‘矛盾角色’：它必須像銅一樣善於傳導電子（高電導率），同時又得像泡沫玻璃一樣阻擋熱量的直接傳遞（低熱導率），並且還能產生大的電壓（溫差電勢）。隻有這樣，材料兩端才能建立並維持足夠的溫差，從而持續輸出高功率。此外，它還必須在高溫下保持穩定，對環境友好且成本可控。”

　　能夠完美達到這些嚴苛條件的材料非常稀缺。一種被稱為“方鈷礦”的天然礦物受到關注，它的晶體結構非常特殊，由鈷、砷等元素構成一個剛性的三維框架、籠狀晶體結構，框架中間形成了一個個排列規則的孔洞，就像燈籠或鳥籠。“這些空‘籠子’為我們打開了廣闊的性能調控空間。”陳立東介紹。

　　上世紀90年代，國外科學家率先嘗試將外來原子填入方鈷礦的“籠”內。結果令人振奮：這些被填入的原子在“籠”內像一個個活躍的“彈珠”，對傳播熱量的聲子（晶格振動）形成了極其強烈的散射。

　　“這相當於在材料內部構建了高效的‘聲子散射網絡’。”陳立東說，“原來的熱量在晶格中傳遞，好比汽車在空曠的高速公路上飛馳。現在，我們填入的原子就像無數個隨機出現、劇烈振動的‘減速帶’和‘路障’，極大地阻滯了‘熱流車輛’的速度，從而大幅降低了材料的晶格熱導率。同時材料的電學傳輸通道受到的影響相對較小。”這樣一來，方鈷礦的短板——熱導率高的情況就得以彌補。

　　這類新材料被命名為“填充方鈷礦”。它們的出現為熱電材料研究打開了一扇新大門，並迅速成為該領域前沿熱點。

　　嘗試原子填充，找到“最佳配方”

　　2001年，我國開始了對方鈷礦熱電材料的系統研究。陳立東進入中國科學院上海硅酸鹽研究所，致力於開發填充方鈷礦等中高溫熱電材料。

　　“跟蹤前沿固然重要，更要知其所以然，並實現超越。”陳立東及其團隊不僅致力於開發新材料配方，更深入探究其背后的物理機制。2005年，陳立東與合作團隊揭示了填充原子在方鈷礦籠狀結構中的“局域化”振動模式及其對熱傳輸的強散射機制。

　　團隊嘗試用不同特性的原子進行“填充”。從單一的稀土元素（如鋇、鐿），到鹼金屬（如鈉、鉀），探索的步伐不斷加快。“就像在微觀世界裡進行‘烹飪’實驗。”陳立東說，“不同的填充原子是不同的‘調味料’，有的原子‘個頭大’，振動幅度強﹔有的原子‘電荷多’，與籠壁相互作用不同。我們要找到‘最佳配方’，讓籠中振動達到最理想的狀態，從而實現熱電性能的極致優化。”

　　探索很快從“單填”走向“共填”——通過將兩種或三種不同尺寸、不同質量的原子協同填入方鈷礦晶格籠，可以產生更復雜、更高效的聲子散射頻譜，將熱導率降至接近理論極限。2011年，團隊成功研制出多種元素原子共填充的方鈷礦材料，其熱電優值（衡量熱電性能的核心指標）達到了當時同類材料的國際領先水平，標志著我國在該材料體系的研究躋身世界前列。

　　轉換效率提升，走向廣闊應用

　　擁有高性能的塊體材料，只是第一步。如何將這些脆性的陶瓷類材料片與金屬電極更好地連接起來，組裝成能承受高溫、大溫差、振動等嚴苛考驗的堅固熱電發電模塊？

　　陳立東說：“熱電材料與金屬電極的熱膨脹系數往往差異很大。在反復的升降溫循環中，一個‘脹’得多，一個‘脹’得少，界面處會產生巨大的熱應力，最終導致連接處開裂、脫落，器件失效。這好比用水泥和木頭緊緊黏合，太陽一晒，木頭膨脹小，水泥膨脹大，接合部必然開裂。”

　　為了克服這一難題，團隊2004年就引入並發展了“放電等離子燒結”技術，能在短短幾分鐘內施加高溫、高壓，將填充方鈷礦粉末與特定配方的電極合金粉末一次性燒結成形。“這個過程就像‘閃電焊接’，在原子尺度上讓兩者緊密結合。”陳立東說。

　　此后，團隊開展了一系列系統性、工程化研究。比如“在懸崖筑緩坡”——通過設計多層的梯度電極，緩沖材料與終端電極之間的熱膨脹失配，讓熱應力平緩過渡。同時開展長期可靠性驗証與批量化制備工藝探索，為未來工程應用鋪路。

　　20多年來，團隊將熱電器件的轉換效率從不到6%提升到了接近15%。

　　接近15%的轉換效率意味著什麼？陳立東舉例說：“以中型卡車為例，其發動機排放的尾氣溫度高達500—600攝氏度。如果利用我們的模塊回收這部分廢熱發電，理論上可以滿足車輛部分輔助電器的用電需求，或為電池充電，帶來可觀的節能收益和碳減排量。”

　　目前，填充方鈷礦等系列新型熱電材料正從實驗室走向更廣闊的應用天地。陳立東描繪了熱電技術深度融入生產生活的場景：工業余廢熱回收的“能源捕手”、交通運輸的“綠色增效器”、深空探索的“心臟”、數據中心與芯片的“貼身冷卻師”……

　　“目前，材料成本、系統集成效率、長期運行維護成本，都是產業化道路上需要持續優化的課題。”陳立東認為，借助人工智能，未來研究方向將更加多元，應用場景也將更加豐富。

　　《 人民日報 》（ 2026年05月09日 06 版）