Vật liệu từ tính mới lập kỷ lục về khả năng chuyển nhiệt thành điện

Trong một nghiên cứu chung với Đại học Tokyo và Đại học Nagoya, Viện khoa học vật liệu quốc gia (NIMS) phát triển loại vật liệu mới “nam châm vĩnh cửu nhiệt điện”, thể hiện hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện ngang cực cao. Bước đột phá này có thể dẫn đến phương pháp mới, thu thập và sử dụng nhiệt thải để tạo ra điện.

Các modul nhiệt điện thông thường áp dụng hiệu ứng nhiệt điện dọc, gọi là hiệu ứng Seebeck, trong đó dòng điện tích được tạo ra theo cùng hướng với dòng nhiệt. Nhìn chung, hệ số (công trạng) zT của hiệu ứng Seebeck có thể cao, nhưng các thiết bị dựa trên hiệu ứng Seebeck thường đòi hỏi thiết kế modul phức tạp để tách các mạch cho dòng nhiệt và dòng điện tích.

Trong khi đó, hiệu ứng nhiệt điện ngang, trong đó dòng điện tích được tạo ra theo hướng vuông góc với dòng nhiệt, thu hút sự chú ý trong các năm gần đây, vì cấu trúc modul có thể đơn giản hóa đáng kể. Tuy nhiên, có một vấn đề là hệ số zT của vật liệu nhiệt điện ngang đã biết thấp hơn nhiều so với vật liệu nhiệt điện dọc. Nhưng nam châm nhiệt điện mới đã thay đổi điều đó.

Nhóm nghiên cứu phát triển một “nam châm vĩnh cửu nhiệt điện”, kết hợp hai chất khác nhau gồm: một nam châm mạnh làm từ samarium-cobalt (SmCo₅), và một hợp chất làm từ bismuth-antimony-tellurium (Bi_0,2Sb_1,8Te₃). Các lớp này xếp chồng xen kẽ lên nhau, sau đó cắt theo góc nghiêng để tạo thành cấu trúc nhiều lớp độc đáo.

Nhóm đã tối ưu hóa thiết kế cấu trúc nhiều lớp nghiêng này, giảm thiểu điện trở suất và nhiệt tại nơi các lớp từ và nhiệt điện liên kết. Điều này giúp dòng điện dễ dàng chạy qua hơn trong khi vẫn thu nhiệt hiệu quả. Kết quả, vật liệu đạt được hệ số zT là 0,2 ở nhiệt độ phòng, tốt hơn khoảng 100 lần so với các vật liệu nhiệt điện ngang trước đây.

Trong các thí nghiệm phát điện, modul nhiệt điện với nam châm vĩnh cửu nhiệt điện do nhóm phát triển đạt được mật độ công suất 56,7 mW/cm² ở chênh lệch nhiệt độ là 152⁰C. Khi chuyển đổi thành giá trị trên mỗi gradient nhiệt độ áp dụng, đây không chỉ là mật độ công suất cao nhất thế giới trong số các modul nhiệt điện ngang mà hiệu suất thậm chí còn tương đương với các modul dọc thương mại sử dụng hiệu ứng Seebeck.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu phát triển vật liệu nam châm vĩnh cửu nhiệt điện và các thiết bị phát nhiệt điện/làm mát điện tử có hiệu suất cao hơn dựa trên kết quả nghiên cứu này. Họ kỳ vọng sáng kiến này có thể được sử dụng để thu hồi năng lượng từ nhiệt thải trong các hệ thống công nghiệp, thiết bị điện tử hoặc bất kỳ nơi nào nam châm được sử dụng.

Nghiên cứu này hướng đến một tương lai mà nam châm không chỉ dùng để hút vật thể mà còn tạo ra năng lượng sạch, hữu ích từ nhiệt, mà nếu không tận dụng sẽ mất đi. Kết quả nghiên cứu được công bố trên Energy & Environmental Science ngày 18/3/2025.