温差电池

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　　温差电池简介
　　1821年，赛贝克发现，把两种不同的金属导体接成闭合电路时，如果把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中，则电路中就会有电流产生。这一现象称为塞贝克(Seebeck)效应，这样的电路叫做温差电偶，这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。例如，铁与铜的冷接头为1℃，热接头处为100℃，则有5.2mV的温差电动势产生。
　　温差电池就是利用温度差异，使热能直接转化为电能的装置。温差电池的材料一般有金属和半导体两种。用金属制成的电池赛贝克效应较小，常用于测量温度、辐射强度等。这种电池一般把若干个温差电偶串联起来，把其中一头暴露于热源，另一个接点固定在一个特定温度环境中，这样产生的电动势等于各个电偶之和。再根据测量的电动势换算成温度或强度。例如，我们在日常生活中常用它来测量冶炼及热处理炉的高温。
　　用半导体制成的温差电池赛贝克效应较强，热能转化为电能的效率也较高，因此，可将多个这样的电池组成温差电堆，作为小功率电源。它的工作原理是，将两种不同类型的热电转换材料N型和P型半导体的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差;如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压,形成一个温差发电机。
　　温差电技术研究始于20世纪40年代，于20世纪60年代达到高峰，并成功地在航天器上实现了长时发电。当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称，“温差发电已被证明为性能可靠，维修少，可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”。近几年来，温差发电机不仅在军事和高科技方面，而且在民用方面也表现出了良好的应用前景。
　　在远程空间探索方面，人们从上个世纪中叶以来不断将目标投向更远的星球，甚至是太阳系以外的远程空间，这些环境中太阳能电池很难发挥作用，而热源稳定，结构紧凑，性能可靠，寿命长的放射性同位素温差发电系统则成为理想的选择。因为一枚硬币大小的放射性同位素热源，就能提供长达20年以上的连续不断的电能，从而大大减轻了航天器的负载，这项技术已先后在阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上得到使用。
　　此外，据德国《科学画报》杂志报道，来自德国慕尼黑的一家芯片研发企业研究出的这种新型电池，主要由一个可感应温差的硅芯片构成。当这种特殊的硅芯片正面“感受”到的温度较之背面温度具有一定温差时，其内部电子就会产生定向流动，从而产生微电流。负责研发这种电池的科学家温纳·韦伯介绍说，“只要在人体皮肤与衣服等之间有5℃的温差，就可以利用这种电池为一块普通的腕表提供足够的能量”。
　　虽然温差发电已有诸多应用,但长久以来受热电转换效率和较大成本的限制,温差电技术向工业和民用产业的普及受到很大制约。虽然最近几年随着能源与环境危机的日渐突出，以及一批高性能热电转换材料的开发成功，温差电技术的研究又重新成为热点，但突破的希望还是在于转换效率的稳定提高。可以设想一下，在温差电池技术成熟以后，我们的手机、笔记本电脑电池就可以利用身体与外界的温度差发电，而大大延长其使用时间。
　　塞贝克效应
　　塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于温差而产生的热电现象。
　　在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。
　　塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。
　　半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。
　　原理
　　由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。
　　设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。