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横滨国立大学，群马学院和日本筑波大学的科学家们正在开发一种新型，更稳定的热电池，该电池将环境热量转化为电能。

他们最近发表于年2月4日的《自然》杂志《科学报告》上的文章提出了一种新型电池，该电池在室温下比以前的电池更稳定。参与该项目的日本科学家利用相变材料作为电极，解决了传统半导体热电装置的缺陷。这个想法是使用在晶体水平发生变化的电极，产生足够大且稳定的电势，可用于物联网设备（智能手表，智能手机，健身记录器等）。

背景

当今最大的挑战之一是尽可能地收集和使用无污染的能源。收集残余热量（例如，由于昼夜温度变化导致的能量损失，室温附近的热量甚至人体产生的热量）并将其转化为电能是实现这一目标的一种方法。直到今天，有两种主要方法可以实现此目的：

基于塞贝克效应的半导体热电器件。一些应用包括航天器中的珀耳帖制冷和热力发电。具有不同温度系数的电极的热电池，通过热充电效应工作。它们也被称为“三级电池”。在接下来的小节中，我将更详细地解释塞贝克效应是什么，热电池的复杂性以及科学家能量收集电池是多么新奇。

基于半导体的热电设备

半导体材料多种多样，固体、气体、等离子体都有，常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体在物理学中非常丰富。它们中的一些在冷却时可以变成超导体（完美导体），而另一些如果放置在具有温度差的环境中则可以产生电势差（意味着产生电的势能）。后者称为塞贝克效应。

塞贝克效应的成因可以简单解释为在温度梯度下导体内的载流子从热端向冷端运动，并在冷端堆积，从而在材料内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流，当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势。------------《百度百科》

珀耳帖冷却描述了相反的现象：通过在半导体材料的端部之间施加电势，可以冷却一端的同时加热另一端，意思就是在接头处出现温差。

那么，什么是“三级电池”？

“三级电池”

与常规电池一样，这些电池也称为热电池，具有正电极和负电极（分别为阳极和阴极）。它们的特殊之处在于阳极和阴极由不同的材料制成，因此它们以不同的方式反应温度。更准确地说，它们的温度系数是不同的，这对于使用很小的温度波动来发电很重要。

三级电池的充电是通过环境热量，而不是电能，通过使用阳极和阴极材料之间氧化还原电位的热系数的差。典型的三次电池的热循环性能较差。在这里，我们通过使用阳极和阴极材料之间氧化还原电位的热系数的差，显著提高了三级电池的热循环能力，即三次电池是由环境热量而不是电能充电的。镍代三级电池具有良好的热循环性能：电池电压和容量在第10次热循环前基本保持不变。

材料的温度系数描述了其氧化还原电势如何随温度变化。氧化还原电势表示材料接受或释放电子的亲和力，它与整个设备发电的能力密切相关。也就是说，具有大温度系数的电极意味着温度的小幅度变化就会使电势有较大的变化。

为什么这很重要？

这种结构使得热电池可以像热机一样工作。热能在高温和低温之间的热循环中转化为电能。这与以半导体为基础的热电装置的工作方式截然不同——它们需要一个稳定、持久的温差来产生电势。

经历相变的电极

如果三级电池这么完美，为什么还需要复杂的相变呢？现有原型机的第一个缺点是输出电压太低(几毫伏)，不足以驱动任何智能设备。作为参考，一块智能手表需要1.3伏的电压才能正常工作，这大约是目前电池容量的倍。其次，输出电压也依赖于温度，这意味着热电池不能用作独立的电源。

在这种情况下，TakayukiShibata等人提出了一种新的热电池原型，其电极的晶体结构会随着温度的变化而变化。材料的微观晶体结构描述了材料中的原子是如何排列的(它们特定的重复的、有序的模式)。这可能会让你想到晶体，它的准有序形状与微观晶体的有序有关。

科学家能够合成两种材料，当温度略微波动时，它们会改变原子的微观排列。请记住，原子图案的变化会导致电极的氧化还原电势发生变化（这与我们可以从电池中获取多少电量有关）。如果变化恰到好处，那么可以设计一个热循环（类似于热机的热循环），从而最终获得净能量。

请注意，我们现在正在谈论能量收集。这些不是简单的电池，你也不会抛他们并购买新的，因为它们就是独立的电源。例如，在智能手表中使用时，只要你佩戴手表，它们就可以无限期地为其供电（由于人体温度的细微变化）。

当然，原型仍然有一些限制。输出电压还没有达到(大约毫伏，虽然这更接近1.3伏的需要值)。此外，作者声称，这种类型的电极对“电极材料的化学和物理均匀性”的需求比三级电池要强烈得多。尽管如此，这个想法对于推动一个“智能”社会还是很有希望的。

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