日本原子力研究開發機構(JAEA)開發了一項以黏土礦物為基材之新型熱電轉換材料。此材料可於700℃以上的高溫環境中穩定使用,且成本相較既有熱電材料低至100分之1以下,具有顯著的經濟性優勢。JAEA透過將土壤中存在的風化黑雲母與鹼金屬鹽類進行混合、加壓並燒成處理,確認在溫差作用下可產生電流(塞貝克效應(Seebeck Effect))。此項技術可望應用於石化工廠、鋼鐵高爐等高溫工業環境之能源採集(Energy Harvesting)應用,或是發電型感測材料等用途。
新材料主要由矽、鋁、鐵等元素構成,無毒性且在自然環境中蘊藏量豐富、取得容易。相較之下,既有熱電材料中,鉍碲化物(Bi₂Te₃)適用於室溫環境,鉛碲化物(PbTe)則適用於250℃~300℃區間;可於500℃~1,000℃範圍使用的高溫熱電材料則以矽鍺合金(SiGe)為代表,但因鍺(Ge)屬稀有金屬,以致材料成本高昂、供應受限。此次開發的新材料熱電性能指標—熱電優值(ZT值)約為0.01~0.35,雖在性能上不以高效率為導向,但材料成本估算僅約每公斤100日圓,相較SiGe材料低至1,000分之1以下,在大面積部署與產業應用上具有壓倒性的成本優勢。
JAEA已展開材料物性評估(最高至900℃)、熱電模組性能測試等一貫化開發與驗證,建立了貼近實用化需求的開發體制。新材料源自於土壤再資源化研究計畫,本質為陶瓷系材料,具有耐高溫性、耐輻射性、高供應穩定性等特性,被視為其重要技術優勢。
在應用方面,新材料可望適用於高溫環境下的感測器供電,以及將熱能直接轉換為電能,使材料本身即具有感測功能。目前高溫定置環境中幾乎不存在穩定電源供應源,而電池系統在安全性與性能維持上亦存在限制。新材料將可應用於過去難以設置設備的區域,實現資料取得、無線通訊等功能,進而促進重工業領域的數位轉型。
目前相關技術已完成專利取得,JAEA也已展開潛在客戶與合作夥伴探索,並規劃以共同開發模式推動實證應用。由於新材料具有在特定溫度以上即產生電流的特性,亦可應用於過熱偵測、異常溫升監控等用途。