“冷胀热缩”材料让温差发电模块更高效、更耐用

界面兼容性对固态电池、柔性电子和高温燃料电池等器件的稳定性至关重要。在热电器件中，研究人员主要关注材料组分的化学反应性和力学性能，而对热膨胀系数（CTE）的精确控制仍存在不足。本研究提出一种创新策略，即使用负热膨胀（NTE）颗粒来调节CTE并解决界面不兼容问题。将预先设计的无界面反应NTE颗粒掺入Bi₂Te₃基、Mg₃Sb₂基和PbTe基材料中，能有效提升热电性能、缓解热应力，并在300至800开尔文的宽温度范围内增强界面稳定性。

研究首先通过第一性原理计算和CALPHAD（相图计算）方法筛选出无界面反应的NTE材料，以抵消热电材料（TEcMs）过高的CTE。实验中，FeZr₂ NTE颗粒修饰的Mg₃(Sb,Bi)₂的CTE显著低于无NTE的样品，在323至673 K范围内与Mg₂Cu界面层的CTE精确匹配。研究还制备了NTE修饰的Mg₃(Sb,Bi)₂/Bi₀.₄Sb₁.₆Te₃双对模块，其界面热应力降低71%，最大转换效率（η）达8.4%（ΔT=350 K），且在323至648 K的1000小时（42天）热循环中界面稳定、η保持不变。将该NTE策略扩展到Bi₂Te₃基和PbTe基材料，证实了其在改善界面兼容性方面的普遍适用性。

此外，NTE材料的加入还提升了基体材料的力学性能（如维氏硬度），并通过界面增强声子散射和优化电子传输提高了热电优值（zT）。有限元模拟和实验均表明，CTE匹配显著降低了界面热应力，避免了结构损伤。该研究为高温器件（如固态燃料电池、热障涂层、气体传感器和太阳能热光伏器件）的界面兼容性设计开辟了新途径。