近日，北海道大学发布了一项基于氧化铈材料电热开关的新型热管理技术，其被认为一项有望在电子和可再生能源系统得到应用的重大突破。该成果以“基于氧化铈的高性能固态电热开关”为题发表于科学进步期刊（Science Advances）。

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

基于氧化铈的固态电化学热开关的结构图

电热开关在280℃空气中工作的照片

能源转换效率通常较低，以石油和煤炭等一次能源为例，其废热损失高达三分之二，其中尤其以低温(100℃至300℃)的废热最难再利用。热电能转换技术是一种直接将温差转化为电能的技术，被视为一种解决方案。氧化物型固态电化学热开关是一种新型的热管理设备，结合了电化学反应和固态材料的特性，能够在特定温度下控制电路的通断，起到热保护或温度控制的作用。这种开关一般由两种氧化物材料（如氧化锌、氧化铜、氧化钴等）和电极构成。氧化物材料通常具有温度敏感性，其电导率或化学状态会随温度变化而发生改变。在低温下，某些氧化物材料的导电性较差，而在高温下，它们的导电性显著提高。通过设计特定的材料组合和温度敏感机制，可以在特定温度下使电路的通断发生变化。

氧化物型固态电化学热开关的优势是响应速度快，没有机械动作部件，减少了磨损和故障的风险，提高了长期稳定性。但是它最大的局限在于温度响应范围，在低温或高温环境中，某些氧化物材料可能失去其电化学特性，从而影响开关的准确性和可靠性。本次科研突破即在于此——北海道大学电子科学研究所教授大田浩志表示，“其最小状态(非状态)的导热系数为2.2W/M·K，但在氧化状态(状态)下，它显著上升到12.5W/M·K。经过100个还原和氧化周期，这些性能指标保持一致，显示了在实际应用中的显著耐久性和可靠性。这一新装置的特点是：上/下导热系数比为5.8,热电导率(现有)开关宽度为10.3W/M.K，为电化学热开关建立了新的基准。”

电热开关工作效果渲染图

本次研究利用在YSZ单晶上生长水晶结构的氧化铈薄膜作为开关活性材料，所以另一个重大突破在于成本控制，便宜且丰富的氧化铈替代传统稀有贵重材料，使该技术在不同行业中更具可伸缩性和适应性。

编译整理 YUXI