Skutterudite: Υλικό υψηλής απόδοσης για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές

Η σημασία των θερμοηλεκτρικών υλικών και οι δυνατότητες εφαρμογής τους

Η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης αποτελεί μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις του^21ου αιώνα. Σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές παράγονται τεράστιες ποσότητες αχρησιμοποίητης θερμικής ενέργειας. Η εν λόγω απορριπτόμενη θερμότητα παράγεται από κλιβάνους τήξης, μονάδες αποτέφρωσης, σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και από μηχανοκίνητα οχήματα - και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Παράλληλα με τις θετικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, αυτό θα συνέβαλε επίσης σημαντικά στην αύξηση της συνολικής αποδοτικότητας και της κερδοφορίας των βιομηχανικών εγκαταστάσεων. Σε αυτό το σημείο μπαίνουν στο παιχνίδι τα θερμοηλεκτρικά.

οι "θερμοηλεκτρικές γεννήτριες", όπως είναι γνωστές, αναπτύσσονται και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε όλους τους τομείς όπου υπάρχουν αξιοποιήσιμες διαφορές θερμοκρασίας. Τέτοιες εφαρμογές απαιτούν την ανάπτυξη θερμοηλεκτρικών υλικών με υψηλή απόδοση.

Προσδιορισμός θερμοφυσικών και θερμοηλεκτρικών ιδιοτήτων

Για την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση των θερμοηλεκτρικών υλικών, η γνώση των θερμοφυσικών και θερμοηλεκτρικών ιδιοτήτων είναι απαραίτητη. Για την αξιολόγηση της απόδοσης χρησιμοποιείται ο συντελεστής αξίας (τιμή ZT). Αυτός ο θερμοηλεκτρικός δείκτης περιγράφει πόσο καλά ή άσχημα κατάλληλο είναι ένα ειδικό υλικό για χρήση σε μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια. Η τιμή ZT δίνει έτσι πληροφορίες για την απόδοση του υλικού.

Με το SBA 458 Nemesis^®, ο συντελεστής Seebeck, S, και η ηλεκτρική αγωγιμότητα, σ, μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα. Με το LFA, η ειδική θερμοχωρητικότητα, _{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp}, και η θερμική διαχυτότητα, a, μπορούν να μετρηθούν άμεσα. Μαζί με την πυκνότητα, ρ, μπορεί να υπολογιστεί η θερμική αγωγιμότητα, λ.

Με το SBA 458 Nemesis^® και τις συσκευές φλας λέιζερ LFA 427, LFA 457 και LFA 467, το NETZSCH προσφέρει μια ολοκληρωμένη λύση για τον προσδιορισμό της τιμής ZT.

Skutterudite ως κατάλληλο υλικό για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές

Επί του παρόντος, το τεράστιο κόστος ανάπτυξης και η προς το παρόν χαμηλή απόδοση των θερμοηλεκτρικών υλικών συχνά εμποδίζουν την εφαρμογή τους. Για να ξεπεραστεί αυτό, η απόδοση των θερμοηλεκτρικών πρέπει να αυξηθεί σημαντικά μέσω νέων εξελίξεων και τροποποιήσεων.

Στόχος είναι η ανάπτυξη υλικών που παρουσιάζουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, λ, με ταυτόχρονα υψηλή αγωγιμότητα, σ, και υψηλό συντελεστή Seebeck, S. Η δυσκολία εδώ έγκειται στο γεγονός ότι οι τρεις αυτές ιδιότητες μπορούν να επηρεαστούν ανεξάρτητα η μία από την άλλη μόνο υπό ορισμένες συνθήκες.

Ειδικότερα, ο Σκουτερουδίτης έχει τη δυνατότητα για εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Ο σκουτερουδίτης είναι ένα υλικό που αποτελείται από κοβάλτιο και αρσενικό, συχνά μολυσμένο από σπάνιες γαίες. Ανήκει στην κατηγορία των σουλφιδίων. Οφείλει το όνομά του στην πόλη Skutterud της Νορβηγίας, όπου ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1928 αυτό το φυσικό ορυκτό, _CoAs3. Μόλις στα μέσα της δεκαετίας του '50 αναγνωρίστηκαν οι εξαιρετικές ηλεκτρικές του ιδιότητες. Ο Skutterudite διαθέτει πολύ υψηλή κινητικότητα φορέων φορτίου και συντελεστή Seebeck μεγέθους medium. Η θερμική του αγωγιμότητα, από την άλλη πλευρά, είναι πολύ υψηλή για να καταστεί δυνατή η αποτελεσματική χρήση του σε θερμοηλεκτρικές εφαρμογές εκείνη τη χρονική στιγμή. Στη δεκαετία του '70 ανακαλύφθηκε η κρυσταλλική δομή που είναι χαρακτηριστική για τον skutterudite, η οποία μπορεί να τροποποιηθεί βέλτιστα. Δύο κενά στο στοιχειώδες κύτταρο μπορούν να γεμίσουν με την εισαγωγή ξένων ατόμων. Με αυτόν τον τρόπο, η θερμική αγωγιμότητα του skutterudite μπορεί να μειωθεί. Έκτοτε, οι σκουτερουδίτες αποτελούν πιθανούς υποψήφιους για αποδοτικότερους θερμοηλεκτρικούς μετατροπείς με τους οποίους, για παράδειγμα, η απορριπτόμενη θερμότητα από τα συστήματα εξάτμισης των αυτοκινήτων θα μπορούσε να μετατραπεί απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα ακόλουθα παραδείγματα μετρήσεων δείχνουν πώς μπορεί να προσδιοριστεί η τιμή ZT του skutterudite μέσω ενός μόνο δείγματος.

Μετρήσεις LFA

Για τον υπολογισμό της χωρίς διαστάσεις τιμής ZT του skutterudite, η θερμική διαχυτότητα (σχήμα 1, κόκκινη καμπύλη) και η ειδική θερμοχωρητικότητα (σχήμα 1, μαύρη καμπύλη) προσδιορίστηκαν με το LFA 467 HyperFlash^® σε δείγμα διαμέτρου 12,7 mm. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν μεταξύ θερμοκρασίας δωματίου και 400 °C.

Ο υπολογισμός της θερμικής αγωγιμότητας βασίζεται στα αποτελέσματα που λαμβάνονται με την ακόλουθη εξίσωση: λ = _{a-Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp-ρ}(βλέπε σχήμα 2).

Μέτρηση SBA

Με το SBA 458 Nemesis^® προσδιορίστηκε ο συντελεστής Seebeck και η ηλεκτρική αγωγιμότητα του δείγματος που είχε ήδη χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της LFA μεταξύ RT και 350°C. Ο συντελεστής Seebeck αυξήθηκε από 100 μV/K σε σχεδόν 160 μV/K, ενώ η ηλεκτρική αγωγιμότητα μειώθηκε από περίπου 1300 S/cm σε 1000 S/cm. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρουσιάζουν εξαιρετική αναπαραγωγιμότητα (± 2%) και για τις δύο παραμέτρους (βλ. σχήμα 3).

Το διάγραμμα στο σχήμα 5 αντιπροσωπεύει την αύξηση της τιμής ZT μεταξύ της θερμοκρασίας δωματίου και των 400°C με μέγιστο στο 0,75.

Περίληψη

Αποδείχθηκε ότι οι θερμοφυσικές ιδιότητες - συμπεριλαμβανομένων της θερμικής διάχυσης και της θερμικής αγωγιμότητας, της ειδικής θερμοχωρητικότητας, του συντελεστή Seebeck και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας - μπορούν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας μόνο ένα δείγμα. Έτσι, ο χρήστης εξοικονομεί πολύτιμο χρόνο, καθώς δεν είναι απαραίτητη η πρόσθετη προετοιμασία του δείγματος για τη ρύθμιση της γεωμετρίας του δείγματος.