近日，北海道大學(xué)發(fā)布了一項基于氧化鈰材料電熱開關(guān)的新型熱管理技術(shù)，其被認(rèn)為一項有望在電子和可再生能源系統(tǒng)得到應(yīng)用的重大突破。該成果以“基于氧化鈰的高性能固態(tài)電熱開關(guān)”為題發(fā)表于科學(xué)進(jìn)步期刊（Science Advances）。

論文地址：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ads6137

基于氧化鈰的固態(tài)電化學(xué)熱開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖

電熱開關(guān)在280℃空氣中工作的照片

能源轉(zhuǎn)換效率通常較低，以石油和煤炭等一次能源為例，其廢熱損失高達(dá)三分之二，其中尤其以低溫(100℃至300℃)的廢熱最難再利用。熱電能轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種直接將溫差轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，被視為一種解決方案。氧化物型固態(tài)電化學(xué)熱開關(guān)是一種新型的熱管理設(shè)備，結(jié)合了電化學(xué)反應(yīng)和固態(tài)材料的特性，能夠在特定溫度下控制電路的通斷，起到熱保護(hù)或溫度控制的作用。這種開關(guān)一般由兩種氧化物材料（如氧化鋅、氧化銅、氧化鈷等）和電極構(gòu)成。氧化物材料通常具有溫度敏感性，其電導(dǎo)率或化學(xué)狀態(tài)會隨溫度變化而發(fā)生改變。在低溫下，某些氧化物材料的導(dǎo)電性較差，而在高溫下，它們的導(dǎo)電性顯著提高。通過設(shè)計特定的材料組合和溫度敏感機(jī)制，可以在特定溫度下使電路的通斷發(fā)生變化。

氧化物型固態(tài)電化學(xué)熱開關(guān)的優(yōu)勢是響應(yīng)速度快，沒有機(jī)械動作部件，減少了磨損和故障的風(fēng)險，提高了長期穩(wěn)定性。但是它最大的局限在于溫度響應(yīng)范圍，在低溫或高溫環(huán)境中，某些氧化物材料可能失去其電化學(xué)特性，從而影響開關(guān)的準(zhǔn)確性和可靠性。本次科研突破即在于此——北海道大學(xué)電子科學(xué)研究所教授大田浩志表示，“其最小狀態(tài)(非狀態(tài))的導(dǎo)熱系數(shù)為2.2W/M·K，但在氧化狀態(tài)(狀態(tài))下，它顯著上升到12.5W/M·K。經(jīng)過100個還原和氧化周期，這些性能指標(biāo)保持一致，顯示了在實際應(yīng)用中的顯著耐久性和可靠性。這一新裝置的特點(diǎn)是：上/下導(dǎo)熱系數(shù)比為5.8,熱電導(dǎo)率(現(xiàn)有)開關(guān)寬度為10.3W/M.K，為電化學(xué)熱開關(guān)建立了新的基準(zhǔn)?！?/span>

電熱開關(guān)工作效果渲染圖

本次研究利用在YSZ單晶上生長水晶結(jié)構(gòu)的氧化鈰薄膜作為開關(guān)活性材料，所以另一個重大突破在于成本控制，便宜且豐富的氧化鈰替代傳統(tǒng)稀有貴重材料，使該技術(shù)在不同行業(yè)中更具可伸縮性和適應(yīng)性。