[01015927]面向电池发热利用的新型热电-电池复合系统构建及其作用机制

电池作为关键的储能器件被广泛应用于各大领域，但电池的发热问题严重影响了其可靠性和能量转换效率。实现对电池发热的有效管理和二次利用，将能有效解决电池事故频发的现状，并有助于推动电池能量密度和能量转换效率进一步提高。基于此，该项目在国家自然科学基金、军委装备发展部、四川省青年科技基金等资助下，围绕“电池发热管理和利用”这一核心科学问题展开研究，在国际上率先提出一种同时解决电池发热问题与提高电池能量转换效率的新思路，为电池系统的安全高效工作提供核心的科学支撑。主要科学发现如下： （1）从原理上突破了热电-电池协同工作壁垒，首次提出了“热电-电池复合系统”新结构，并设计出以p型和n型热电材料分别作为电池正负极的复合系统，基于热电材料的塞贝克效应和帕尔帖效应，将电池放电过程中释放的热能转化为温差电流，并将充电过程中电流产生的热量及时转移，实现了电池废热-发电-充电-制冷的绿色闭环工作机制，在提高电池输出功率的同时进行有效的热管理，为电池热管理与热利用兼容模式提供科学依据，同时为储能器件的安全快速发展提供新方向。 （2）揭示了利用共振能级、能量势垒效应优化热电性能的设计原则，发展了FeS₂、PbX (X=S,Se,Te)、Cu₂SnS₃、SnS₂、MCoSb (M=V,Nb,Ta)等多种既可进行高效率热-电转换，又可用于电池正负极的热电-电极材料，所研制的高性能n型PbSe基热电材料，至今保持该体系材料最高的热电优值（ZT~1.3），使共振掺杂成为提高材料热电性能的重要方法之一，并提出利用主动制造空位缺陷调控材料电热输运过程的重要途径，大幅提高材料的热-电转换效率，为“热电-电池复合系统”的实际应用奠定材料基础。 （3）建立了材料表面特殊微观形貌与合成工艺、反应动力学三者间的关联，发展了利用材料表面改性进一步提高电池能量转换效率的新机制，研制出具有高比表面积、小尺寸空洞和高导电能力的硫族化合物微球，发现并证明富含缺陷结构的硫族化合物电极材料有利于促进离子和电子的传输，从而缓冲电极材料在循环过程中的体积膨胀，显著提高电池的放电容量和循环稳定性，为高效的“热电-电池复合系统”的发展提供进一步技术支撑。 该项目研究成果处于国际领先水平，在本领域国际顶级刊物EES、Nano Energy等发表的5篇代表性论文多次被领域内著名学者在专业论文中引用及正面评述，Google学术总引371次，SCI总引298次，SCI他引243次，并撰写英文专著一部，获授权发明专利14项（含美国专利1项）。该项目基于热电效应解决电池发热问题并提高电池能量转换效率的新思路在国际相关研究领域起到了引领作用，为智能设备、电动汽车、高端半导体装备的电池系统的安全高效工作提供核心支撑，尤其对于实现能源装载有限的特定环境，如小卫星、航空发动机等的二次能源有效利用具有重要意义。项目组成员获得了基金委杰出青年基金、中国科协青年人才托举工程等人才称号，形成了一个完备的人才梯队，获第十五届中国青年科技奖。