据美国物理学家组织网近日报道，美国维克森林大学和其他研究机构最近共同研究出一种新型有机热电纤维，能大大提高材料的输出功率并降低成本。相关论文发表在最近的《纳米快报》上。
几十年前人们就已开始研究热电材料并已实现了商业化应用，但传统方法是用碲化铋等无机材料制造。一些新研究显示，有机材料可能有成本更低、制造容易、灵活柔韧等更多优点。不过迄今为止，有机材料的性能仍不如无机材料，比如用柔性热电材料做成腕表，通过体温和外界环境温差来充电，如果用现在的碳纳米管/聚合物复合材料制造的话，那需要500平方厘米的纤维，比普通的腕表要大50倍。
研究人员解释说，高性能热电纤维的关键问题是在材料两面产生大的温差，由于碳纳米管/聚合物复合材料非常薄，其表面垂直温差就很有限；而新材料称为“电毡”，是一种多层碳纳米管/聚合物复合材料，电输出功率比以前大大提高。
“电毡”由几百层导热和绝热薄膜交替构成，导热材料中含有碳纳米管，绝热材料由聚合物构成，每层的厚度仅25微米到40微米。层与层之间平行排列，使温差呈梯度渐变。由于塞贝克效应，电子或空穴会从热的一边迁移到冷的一边，这就将温差转化为电压。总电压等于每层电压的和，所以增加层数就相当于串联电源增加电压，而层数只受到热源所能产生的总体温差的限制。在新研究中，热源的温度限制在117℃，达到或超过这一温度，聚合物会变形。
他们演示了一块由72层纤维制作的“电毡”，在温差为50℃时，能产生137纳瓦的最大功率。理论上功率还能再提高，如用300层纤维产生100℃温差，输出功率将达到5毫瓦。
“目前做腕表材料的话，用这种纤维只要10平方厘米就够了。而且薄膜层数越多(它们可以极薄)，小面积内的功率就越高。我们现在的材料还没达到最优化，还能造出功率更高的材料。”维克森林大学纳米技术中心大卫·卡洛说，如果大规模地生产多层碳纳米管/聚合物复合材料，用它们发电成本可以降到每瓦1美元，而且很容易生产。相比之下，碲化铋等热电材料的发电成本为每瓦7美元。
大规模生产这种材料就能以较低成本大量发电，在收集能量方面比其他方法更有成本竞争力。“这种材料的用途很广，且电流输出功率很容易调节。如果需要更高功率，只需简单地换个更大面积的。”卡洛说。
研究人员预测，除了制作腕表，低成本有机热电纤维还可用于服装，比如做冬天穿的夹克的内衬，利用体热和户外温差给iPod等电子产品充电。此外，这种“电毡”还能用于回收利用汽车废热、提高燃料里程、作为座椅内衬辅助给交通工具充电、安装在屋顶板下面帮助减少房屋耗电量等。
