Skutterudita: material de alto rendimiento para aplicaciones termoeléctricas

La importancia de los materiales termoeléctricos y sus posibilidades de aplicación

La optimización de la eficiencia energética es uno de los grandes retos del siglo^XXI. En muchas aplicaciones industriales se generan enormes cantidades de energía térmica no utilizada. Ese calor residual se produce en hornos de fundición, plantas incineradoras, centrales eléctricas e incluso vehículos de motor, y todo ello podría aprovecharse para generar energía eléctrica. Además de tener un impacto medioambiental positivo, esto también contribuiría significativamente a aumentar la eficiencia y rentabilidad globales de las plantas industriales. Ahí es donde entra en juego la termoelectricidad.

los "generadores termoeléctricos", como se les conoce, se desarrollan y pueden emplearse en todos los ámbitos en los que existan diferencias de temperatura aprovechables. Estas aplicaciones requieren el desarrollo de materiales termoeléctricos de alta eficiencia.

Determinación de las propiedades termofísicas y termoeléctricas

Para el desarrollo y la optimización de los materiales termoeléctricos, es esencial conocer las propiedades termofísicas y termoeléctricas. Para evaluar la eficiencia se utiliza la figura de mérito (valor ZT). Este valor termoeléctrico describe la idoneidad o no de un material especial para su uso en un generador termoeléctrico. Así pues, el valor ZT proporciona información sobre la eficiencia del material.

Con el Conductividad eléctrica (SBA)La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para permitir el transporte de una carga eléctrica.SBA 458 Nemesis^®, se pueden determinar simultáneamente el Coeficiente SeebeckEl coeficiente Seebeck es la relación entre la tensión termoeléctrica inducida y la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor eléctrico.coeficiente Seebeck, S, y la Conductividad eléctrica (SBA)La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para permitir el transporte de una carga eléctrica.conductividad eléctrica, σ. Utilizando el LFA, la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica, _{Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp}, y la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, a, pueden medirse directamente. Junto con la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad, ρ, puede calcularse la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, λ.

Con el Conductividad eléctrica (SBA)La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para permitir el transporte de una carga eléctrica.SBA 458 Nemesis^® y los aparatos de flash láser LFA 427, LFA 457 y LFA 467, NETZSCH ofrece una solución completa para la determinación del valor ZT.

Skutterudite como material apropiado para aplicaciones termoeléctricas

En la actualidad, los enormes costes de desarrollo y la escasa eficiencia actual de los materiales termoeléctricos impiden a menudo su aplicación. Para superarlo, es preciso aumentar considerablemente la eficiencia de los termoeléctricos mediante nuevos desarrollos y modificaciones.

El objetivo es desarrollar materiales que presenten una baja Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, λ, y al mismo tiempo una alta conductividad, σ, y un alto Coeficiente SeebeckEl coeficiente Seebeck es la relación entre la tensión termoeléctrica inducida y la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor eléctrico.coeficiente Seebeck, S. La dificultad radica en que estas tres propiedades sólo pueden modificarse de forma independiente en determinadas condiciones.

La skutterudita, en particular, tiene el potencial de ofrecer excelentes propiedades eléctricas. La skutterudita es un material compuesto de cobalto y arsénico, a menudo contaminado por tierras raras. Pertenece a la clase de los sulfuros. Debe su nombre a la ciudad de Skutterud, en Noruega, que es donde se descubrió por primera vez este mineral natural, _CoAs3, en 1928. No fue hasta mediados de los años 50 cuando se reconocieron sus excelentes propiedades eléctricas. La skutterudita presenta una movilidad de portadores de carga muy elevada y un Coeficiente SeebeckEl coeficiente Seebeck es la relación entre la tensión termoeléctrica inducida y la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor eléctrico.coeficiente Seebeck del tamaño de medium. Su Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, en cambio, es demasiado alta para que su uso en aplicaciones termoeléctricas fuera posible en aquel momento. En los años 70 se descubrió la estructura cristalina típica de la skutterudita, que puede modificarse de forma óptima. Dos huecos de la celda elemental pueden rellenarse mediante la inserción de átomos extraños. De este modo, se puede reducir la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de la skutterudita. Desde entonces, las skutteruditas han sido candidatas potenciales para convertidores termoeléctricos más eficientes con los que, por ejemplo, el calor residual de los sistemas de escape de los automóviles podría convertirse directamente en electricidad. Los siguientes ejemplos de medición muestran cómo puede determinarse el valor ZT de la skutterudita mediante una sola muestra.

Medidas del ALF

Para calcular el valor adimensional ZT de la skutterudita, se determinaron la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica (figura 1, curva roja) y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (figura 1, curva negra) con el LFA 467 HyperFlash^® en una muestra de 12,7 mm de diámetro. Las mediciones se realizaron entre temperatura ambiente y 400°C.

El cálculo de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica se basa en los resultados obtenidos mediante la siguiente ecuación: λ = _{a-Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp-ρ}(véase la figura 2).

Medición de la SBA

Con el Conductividad eléctrica (SBA)La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para permitir el transporte de una carga eléctrica.SBA 458 Nemesis^®, se determinó el Coeficiente SeebeckEl coeficiente Seebeck es la relación entre la tensión termoeléctrica inducida y la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor eléctrico.coeficiente Seebeck y la Conductividad eléctrica (SBA)La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para permitir el transporte de una carga eléctrica.conductividad eléctrica de la muestra ya utilizada para la medición del LFA entre RT y 350°C. El Coeficiente SeebeckEl coeficiente Seebeck es la relación entre la tensión termoeléctrica inducida y la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor eléctrico.coeficiente Seebeck aumentó de 100 μV/K a casi 160 μV/K, mientras que la Conductividad eléctrica (SBA)La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para permitir el transporte de una carga eléctrica.conductividad eléctrica disminuyó de aproximadamente 1300 S/cm a 1000 S/cm. Los resultados de las mediciones muestran una excelente reproducibilidad (± 2%) para ambos parámetros (véase la figura 3).

El gráfico de la figura 5 representa el aumento del valor ZT entre la temperatura ambiente y 400°C con un máximo a 0,75.

Resumen

Se ha demostrado que las propiedades termofísicas -incluidas la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica y la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica, el Coeficiente SeebeckEl coeficiente Seebeck es la relación entre la tensión termoeléctrica inducida y la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor eléctrico.coeficiente Seebeck y la Conductividad eléctrica (SBA)La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para permitir el transporte de una carga eléctrica.conductividad eléctrica- pueden determinarse utilizando una sola muestra. De este modo, el usuario ahorra un tiempo precioso, ya que no es necesaria una preparación adicional de la muestra para ajustar su geometría.