26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Potenciación de la energía termoeléctrica con nanocintas cerámicas: una nueva vía hacia las cobaltitas cálcicas de alto rendimiento
La búsqueda de nuevas formas de utilizar la energía de manera eficiente y avanzar en tecnologías sostenibles es un tema central de nuestro tiempo. Por ello, los materiales capaces de convertir el calor directamente en energía eléctrica -los llamados materiales termoeléctricos- están cada vez más en el punto de mira. Los compuestos cerámicos basados en la cobaltita cálcica se consideran especialmente prometedores, ya que son robustos, resistentes a altas temperaturas y eficientes en su rendimiento.
En el campo de los materiales termoeléctricos de alta temperatura, conseguir microestructuras anisótropas en cerámicas policristalinas es una estrategia clave para aumentar 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 y suprimir al mismo tiempo el transporte térmico.
Pero, ¿cómo mejorar aún más estos materiales? Un equipo de investigadores ha desarrollado un método totalmente nuevo para mejorar significativamente las propiedades de estos compuestos, dando así un paso importante hacia la generación de energía más limpia.
El reciente estudio publicado en la revista Journal of the American Ceramic y titulado "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", presenta un enfoque innovador a este reto.
De los nanoribbones a la cerámica de alto rendimiento
Investigadores de la Universidad Leibniz de Hannover y del Technion - Instituto de Tecnología de Israel combinaron con éxito la electrohilatura con la SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización secuencial por plasma de chispa (SPS) y el texturizado por plasma de chispa sin bordes (SPT). Esta estrategia de procesamiento ya se presentó en un blog anterior, donde se aplicó a cerámicas basadas en polvo de CCO.
La innovación clave de este proyecto es el uso de nanoribbones electrohilados como material de partida para crear cerámicas de cobaltita cálcica (Ca₃Co₄O₉, CCO) altamente texturadas.
Estos precursores unidimensionales son intrínsecamente anisótropos y ya presentan una orientación de grano alineada. Una vez sinterizada y texturizada mediante el método combinado SPS + SPT, la cobaltita resultante presenta una microestructura densamente empaquetada, similar a una pared de ladrillos, una alineación mejorada para un transporte eficaz de la carga en el plano y una 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 reducida debido a la dispersión de fonones en los límites de los granos texturizados.
A 1073 K, este prometedor material termoeléctrico alcanzó una cifra de mérito ZT = 0,53, uno de los valores más altos registrados para el CCO policristalino.
NETZSCH Analizadores térmicos que permiten evaluar con precisión las propiedades termoeléctricas
El laboratorio NETZSCH Analyzing & Testing contribuyó con mediciones esenciales para este trabajo midiendo 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, utilizando el aparato NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash, 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 (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) con el NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Calorímetro diferencial de barrido.
Ambos datos permitieron calcular con precisión los valores de 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 ZT, proporcionando una visión directa del efecto de la nanoestructuración sobre el transporte térmico.
Este estudio pone de relieve cómo los bloques cerámicos preestructurados y anisótropos pueden mejorar significativamente las propiedades termoeléctricas de los materiales de óxido. La sinergia entre la síntesis innovadora y la caracterización térmica precisa allana el camino para nuevas tecnologías de captación de energía basadas en cerámicas estables y de alto rendimiento.
Agradecimientos
Este trabajo es el resultado de un esfuerzo de colaboración entre el Instituto de Química Física y Electroquímica de la Universidad Leibniz de Hannover (Alemania) y el Departamento Wolfson de Ingeniería Química, en cooperación con el Programa de Energía Nancy & Stephan Grand Technion (GTEP) del Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israel), en corporación con NETZSCH Analyzing & Testing.
Nos complace haber contribuido a esta investigación aportando nuestra experiencia en análisis térmico e instrumentación para la caracterización precisa de las propiedades termofísicas.
La financiación de acceso abierto para esta publicación ha sido posible gracias a Projekt DEAL.
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