日本科学家研发出一种人工智能半导体热电池,当埋在地热区时,它会将热量转化为电能。 



你可以在8月份在拉斯维加斯的地上煎一个鸡蛋,但是在冰岛或阿拉斯加却无法做到–除非你知道如何利用地球上巨大的地热能源。 东京工业大学的研究人员已经开发出一种新型电池,可以在环境中的热量可靠地发电,温度介于60摄氏度至100摄氏度之间。

在早期的实验中,研究人员开发了敏感热电池(STC),它使用染料敏化太阳能电池将光转换为电能。在他们的最新进展中,东京理工大学副教授松下幸子Sachiko解释说,他们用半导体取代染料,使电池能够用热而不是光来运行。

已经存在几种将热量转换成电力的方法,包括利用热和冷化学液体流来产生电力的氧化还原电池,以及当沿着导体施加温度梯度时使用塞贝克效应产生电力的热电电池。

但Matsushita指出,虽然STC电池可以直接埋在地下并按原样工作,但如果要求以这种方式运行,其他设备将面临重大的物理和操作问题。STC由n型硅的电子传输层和锗的半导体层组成,它们一起构成工作电极。夹在这些层和由氟掺杂的氧化锡玻璃制成的对电极之间的是聚合物中铜离子的固体电解质层。

当施加热量时,半导体中的电子被热激发并从低能态升高到高能态,并被注入电子传输层。从那里,它们通过外部电路并继续通过反电极到达电解质。 

涉及铜离子的氧化和还原(氧化还原)反应发生在电解质中。这导致一些低能电子被转移回半导体层,因此该过程重新开始,完成电路。

在使用热板作为热源测试电池时,研究人员将10个电池串联连接并为LED灯供电。在另一个测试中,细胞用于运行液晶显示器。

当团队首次开始使用烤箱作为热源进行实际测试时,不清楚电池是否或何时停止运行。在试验之后,一旦电解质中的氧化还原反应停止并且在电解质的两个界面处达到平衡,该装置确实停止,这阻止了电子的任何进一步转移。 

但令他们惊讶的是,研究人员发现,通过简单地关闭和打开外部电路,同时将电池留在热源中,可以恢复发电。发生这种情况是因为当电路关闭时,电解质中的还原反应消失。因此,电解质中的离子分布改变并且不再保持平衡。因此,再次开始发电。

Matsushita说:“虽然STC不是永久性能源发电机,但它可以通过打开和关闭开关来半永久性地在热源中运行。”

为了使这项工作在实际意义上,她说两个电池可以一起埋在热源中,其中任何一个设备用于打开或关闭另一个电池作为提供连续电流的方式。

展望未来,研究人员的目标是提高电解质的稳定性,并通过增加所用半导体材料的表面来增加产生的电流量。 

至于商业前景,研究人员正在与东京的汽车和金属零件制造商Sanoh Industrial Co. Ltd.合作。在对设备进一步改进之后,他们计划首先应用该技术作为自供电传感器,该传感器可以在任何容易获得热量的地方使用,例如在车辆和工厂设备中。然后,他们将开发技术,为更大规模的应用提供电力。

“STC不依赖于风,它不产生辐射,它不需要油运行,而且与太阳能不同,它只需将其埋在热源中即可提供稳定的日夜发电。”松下说。“我们相信它将开辟基于热力学和电化学的新学术领域,从而扩大电气工程和化学工程的范围。”