'Nam châm vĩnh cửu nhiệt điện' đạt được mật độ công suất kỷ lục để thu năng lượng
của Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia
Sơ đồ sản xuất điện bằng nam châm vĩnh cửu nhiệt điện và ảnh chụp lớp đa lớp nghiêng nhân tạo bao gồm nam châm loại SmCo5 và Bi0,2Sb1,8Te3. Nam châm vĩnh cửu nhiệt điện có thể dễ dàng lắp đặt vào nguồn nhiệt làm bằng vật liệu từ tính bằng lực từ của nó và có khả năng tạo ra điện bằng cách chuyển đổi nhiệt điện theo chiều ngang. Cấu trúc đa lớp nghiêng nhân tạo được phát triển trong nghiên cứu này có lực từ đủ để gắn nó vào bề mặt tường từ tính (nền của bức ảnh) hoặc để treo kẹp giấy vào đó. Tín dụng: Fuyuki Ando, Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia; Ken-ichi Uchida, Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia
Trong nghiên cứu chung với Đại học Tokyo (UTokyo) và Đại học Nagoya, Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia (NIMS) đã phát triển một loại vật liệu mới "nam châm vĩnh cửu nhiệt điện" thể hiện hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện ngang cực cao và đạt được khả năng tạo ra nhiệt điện ngang với mật độ công suất 56,7 mW/cm2 quanh nhiệt độ phòng trong một mô-đun dựa trên nam châm vĩnh cửu nhiệt điện.
Khi chuyển đổi thành giá trị trên mỗi gradient nhiệt độ áp dụng, đây không chỉ là mật độ công suất cao nhất thế giới trong số các mô-đun nhiệt điện ngang mà còn là hiệu suất thậm chí còn tương đương với các mô-đun nhiệt điện dọc thương mại. Thành tựu này dự kiến sẽ dẫn đến các công nghệ thu thập và quản lý năng lượng nhiệt có thể được sử dụng ở mọi nơi sử dụng nam châm. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Science vào ngày 18 tháng 3 năm 2025.
Các mô-đun nhiệt điện thông thường áp dụng hiệu ứng nhiệt điện dọc, được gọi là hiệu ứng Seebeck, trong đó dòng điện tích được tạo ra theo cùng hướng với dòng nhiệt được áp dụng. Nhìn chung, hệ số công đức zT cho hiệu ứng Seebeck có thể cao, nhưng các thiết bị dựa trên hiệu ứng Seebeck phải đối mặt với vấn đề có cấu trúc mô-đun phức tạp để tách các mạch cho dòng nhiệt và dòng điện tích.
Mặt khác, hiệu ứng nhiệt điện ngang, trong đó dòng điện tích được tạo ra theo hướng vuông góc với dòng nhiệt được áp dụng, đã thu hút sự chú ý trong những năm gần đây, vì cấu trúc mô-đun có thể được đơn giản hóa đáng kể. Tuy nhiên, có một vấn đề là zT của các vật liệu nhiệt điện ngang đã biết cực kỳ thấp so với vật liệu nhiệt điện dọc.
Tính chất nhiệt điện ngang từ tính và phân tích của MCM. Nguồn: Energy & Environmental Science (2025). DOI: 10.1039/D4EE04845H
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một "nam châm vĩnh cửu nhiệt điện" với cấu trúc nhiều lớp nghiêng nhân tạo bao gồm một nam châm loại samarium-coban (SmCo5) xếp chồng xen kẽ và hợp chất bismuth-antimony-telua (Bi0,2Sb1,8Te3) được liên kết thiêu kết và cắt theo góc nghiêng.
Nhóm đã tối ưu hóa thiết kế của cấu trúc nhiều lớp nghiêng này và giảm thiểu điện trở suất và nhiệt tại giao diện liên kết, thành công trong việc đạt được zT cao hơn hai bậc độ lớn (= 0,2 ở nhiệt độ phòng) so với zT trước đây được báo cáo bởi hiệu ứng Nernst dị thường trong vật liệu từ tính.
Ngoài ra, trong các thí nghiệm phát điện, một mô-đun nhiệt điện bao gồm nam châm vĩnh cửu nhiệt điện do nhóm phát triển đã đạt được mật độ công suất là 56,7 mW/cm2 ở chênh lệch nhiệt độ là 152℃. Khi chuyển đổi thành giá trị trên mỗi gradient nhiệt độ áp dụng, đây không chỉ là giá trị cao nhất thế giới trong số các mô-đun nhiệt điện ngang mà còn là hiệu suất thậm chí tương đương với các mô-đun dọc thương mại.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu phát triển các vật liệu nam châm vĩnh cửu nhiệt điện và các thiết bị làm mát điện tử/phát nhiệt điện có hiệu suất thậm chí còn cao hơn dựa trên kết quả nghiên cứu này. Sau khi chứng minh được hiệu suất phát nhiệt điện tương đương với các mô-đun nhiệt điện thương mại trong nam châm, một vật liệu không thể thiếu đối với cuộc sống con người, nghiên cứu này được kỳ vọng sẽ dẫn đến các công nghệ tiết kiệm năng lượng và thu năng lượng dựa trên các khái niệm chưa từng có.
