26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Zvyšování termoelektrického výkonu pomocí keramiky s nanovlákny - nová cesta k vysoce výkonným kobaltitům vápníku
Hledání nových způsobů, jak efektivně využívat energii a rozvíjet udržitelné technologie, je ústředním tématem naší doby. Materiály schopné přeměňovat teplo přímo na elektrickou energii - tzv. termoelektrické materiály - jsou proto stále více v centru pozornosti. Za zvláště slibné jsou považovány keramické sloučeniny na bázi kobaltitu vápenatého, které jsou robustní, odolné vůči vysokým teplotám a efektivní ve svém výkonu.
V oblasti vysokoteplotních termoelektrických materiálů je dosažení anizotropních mikrostruktur v polykrystalické keramice klíčovou strategií pro zvýšení elektrické vodivosti při současném potlačení tepelného transportu.
Jak však lze tyto materiály dále vylepšit? Výzkumný tým nyní vyvinul zcela nový přístup, jak výrazně zlepšit vlastnosti těchto sloučenin, a učinit tak důležitý krok k čistší výrobě energie.
Nedávná studie publikovaná v časopise Journal of the American Ceramic a nazvaná "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing" představuje inovativní přístup k této výzvě.
Od nanovláken k vysoce výkonné keramice
Výzkumníci z Leibnizovy univerzity v Hannoveru a Technionu - Izraelského technologického institutu úspěšně zkombinovali elektrospinning se sekvenčním SpékáníSpékání je výrobní proces, při kterém se z keramického nebo kovového prášku vytváří mechanicky pevné těleso. spékáním jiskrovým plazmatem (SPS) a bezokrajovým texturováním jiskrovým plazmatem (SPT). Tato strategie zpracování byla již dříve představena v předchozím blogu, kde byla aplikována na keramiku na bázi prášku CCO.
Klíčovou novinkou tohoto projektu je použití elektrospunovaných nanovláken jako výchozího materiálu pro vytvoření vysoce strukturované keramiky z kobaltitu vápenatého (Ca₃Co₄O₉, CCO).
Tyto jednorozměrné prekurzory jsou ze své podstaty anizotropní a již vykazují vyrovnanou orientaci zrn. Po spékání a texturování kombinovaným přístupem SPS + SPT má výsledný kobaltit hustě uspořádanou mikrostrukturu podobnou cihlovým stěnám, zvýšenou orientaci pro účinný transport náboje v rovině a sníženou tepelnou vodivost v důsledku rozptylu fononů na hranicích texturovaných zrn.
Při teplotě 1073 K dosáhl tento slibný termoelektrický materiál hodnoty ZT = 0,53, což je jedna z nejvyšších hodnot uváděných pro polykrystalické CCO.
NETZSCH Tepelné analyzátory umožňující přesné vyhodnocení termoelektrických vlastností
Laboratoř NETZSCH Analyzing & Testing přispěla zásadními měřeními pro tuto práci měřením tepelné difuzivity pomocí přístroje NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash a měrné tepelné kapacity (Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp) pomocí přístroje NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Diferenciální skenovací kalorimetr.
Oba údaje umožnily přesný výpočet hodnot tepelné vodivosti (λ) a ZT, což poskytlo přímý vhled do vlivu nanostrukturování na tepelný transport.
Tato studie poukazuje na to, jak mohou předem strukturované, anizotropní keramické stavební bloky výrazně zlepšit termoelektrické vlastnosti oxidových materiálů. Synergie mezi inovativní syntézou a přesnou tepelnou charakterizací otevírá cestu k novým technologiím sběru energie založeným na stabilní, vysoce výkonné keramice.
Poděkování
Tato práce je výsledkem spolupráce mezi Ústavem fyzikální chemie a elektrochemie na Leibnizově univerzitě v Hannoveru (Německo) a Wolfsonovou katedrou chemického inženýrství ve spolupráci s programem Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) na Technion-Izraelském technologickém institutu (Haifa, Izrael) ve spolupráci s NETZSCH Analyzing & Testing.
Jsme rádi, že jsme k tomuto výzkumu přispěli poskytnutím odborných znalostí v oblasti termické analýzy a přístrojového vybavení pro přesnou charakterizaci termofyzikálních vlastností.
Financování této publikace s otevřeným přístupem umožnil a zorganizoval Projekt DEAL.
Další informace o přístrojích NETZSCH DSC a LFA pro vysokoteplotní aplikace
