[发明专利]一种提高快离子导体热电材料服役稳定性的方法

说明书

本发明提供一种提高快离子导体热电材料服役稳定性的方法，沿外场作用方向，在由 n段快离子导体热电材料连接成的热电臂中任意相邻两段快离子导体热电材料之间分布有至少一层离子阻挡层，以提高快离子导体热电材料的服役稳定性，其中n≥2；所述离子阻挡层的材质为镍、钛、钼、铂、钯、碳元素中的至少一种；所述快离子导体热电材料的材质为Cu_2‑δS、Cu_2‑δSe、Cu_2‑δTe、Ag₂Se、CuAgSe、Cu₅FeS₄、CuCrSe₂、Ag₉GaSe₆和Ag₈GeSe₆中的一种，其中0＜δ＜0.1；所述快离子导体热电材料的长度为0.1 mm～20mm。

技术领域

本发明涉及一种提高快离子导体热电材料服役稳定性的方法，具体涉及一种提高快离子导体热电材料在外场(电场、温度场、磁场等)作用下服役稳定性、同时保持优良热电性能的方法，属于热电材料和器件领域。

背景技术

热电转换技术作为一种新型的再生清洁能源技术近几年在国际上受到了广泛的瞩目。它利用半导体材料的塞贝克效应和帕尔贴效应，直接将热能与电能进行相互转换，具有寿命长、可靠性高、环境友好、使用温度范围广、能够有效地利用低密度能量等特点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用，高精度温控器件，以及军用电源等高新技术领域具有显著的优势。热电器件由众多的热电元件组成。每个热电元件包含一个n型热电臂和一个p型热电臂。每个热电臂通常由一段热电材料和相应的电极材料构成。

近年来，以Cu_2-δX(X＝S、Se或Te、δ代表Cu空位含量)和Ag₂Se为代表的快离子导体热电材料获得了全世界热电研究人员的广泛重视。这类材料具有非常优良的热电性能，与传统热电材料相当^[1]。并且，Cu基材料具有成本低廉、原料丰富、对环境友好等特征，因此该类化合物吸引了热电研究人员的重点关注，展现出了极为广阔的应用前景。

导致快离子导体热电材料具有优良热电性能的主要原因在于其晶体结构中金属阳离子(如Cu离子或者Ag离子)与阴离子框架成键较弱，金属阳离子可以相对自由的以“类液态”的形式在阴离子框架内部迁移。这种金属阳离子的“类液态”迁移行为可以增加对声子的散射，显著抑制材料的晶格热导率，提高材料的热电性能。但是，在外场(如电场、温场、磁场等)作用下，这些快离子导体中的金属阳离子会沿着外场方向定向迁移进而聚集于材料的一端，同时在材料的另外一端留下空位，造成材料内部成分不均匀分布。特别是，当作用于材料上的外场足够强时，在材料一端聚集的金属阳离子的浓度将达到材料的晶体结构所能容纳的最大极限，导致一部分金属阳离子将从晶体结构中析出转变为金属单质，如Cu金属单质或Ag金属单质，这就是快离子导体热电材料的金属阳离子析出现象(见图1)。以Cu_2-δS为例，Dennler等人在室温下对Cu₂S样品施加24A/cm²的电流，很短时间后在电流流出端即发现明显的Cu单质富集现象^[2]。对于Cu_2-δSe材料，Brown等人也报道了在电场作用下类似的Cu离子析出的现象^[3]。