Skutterudiitti: korkean suorituskyvyn materiaali lämpösähköisiin sovelluksiin

Lämpösähköisten materiaalien merkitys ja niiden käyttömahdollisuudet

Energiatehokkuuden optimointi on yksi^2000-luvun suurimmista haasteista. Monissa teollisissa sovelluksissa syntyy valtavia määriä käyttämätöntä lämpöenergiaa. Tällaista hukkalämpöä syntyy sulatusuuneissa, polttolaitoksissa, voimalaitoksissa ja jopa moottoriajoneuvoissa - ja niitä kaikkia voitaisiin käyttää sähköenergian tuottamiseen. Tämä vaikuttaisi myönteisesti ympäristöön ja lisäisi merkittävästi teollisuuslaitosten yleistä tehokkuutta ja kannattavuutta. Tässä kohtaa termoelektriikka tulee kuvaan mukaan.

"Lämpösähkögeneraattorit, kuten niitä kutsutaan, on kehitetty ja niitä voidaan käyttää kaikilla alueilla, joilla on käytettävissä käyttökelpoisia lämpötilaeroja. Tällaiset sovellukset edellyttävät korkean hyötysuhteen omaavien termosähköisten materiaalien kehittämistä.

Lämpöfysikaalisten ja lämpösähköisten ominaisuuksien määrittäminen Ominaisuudet

Lämpösähköisten materiaalien kehittämisessä ja optimoinnissa lämpöfysikaalisten ja lämpösähköisten ominaisuuksien tuntemus on olennaista. Hyötysuhteen arviointiin käytetään ansiolukua (ZT-arvoa). Tämä lämpösähköinen luku kuvaa, kuinka hyvin tai huonosti tietty materiaali soveltuu käytettäväksi lämpösähkögeneraattorissa. ZT-arvo antaa siis tietoa materiaalin hyötysuhteesta.

Sähkönjohtavuus (SBA)Sähkönjohtavuus on fysikaalinen ominaisuus, joka ilmaisee materiaalin kykyä siirtää sähkövarausta.SBA 458 Nemesis^®-laitteella voidaan määrittää samanaikaisesti Seebeckin kerroin S ja Sähkönjohtavuus (SBA)Sähkönjohtavuus on fysikaalinen ominaisuus, joka ilmaisee materiaalin kykyä siirtää sähkövarausta.sähkönjohtavuus σ. LFA:lla voidaan mitata suoraan ominaislämpökapasiteetti, _{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}, ja lämpödiffuusiokyky, a. Yhdessä tiheyden ρ kanssa voidaan laskea LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus λ. Lisäksi voidaan laskea LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus λ.

Sähkönjohtavuus (SBA)Sähkönjohtavuus on fysikaalinen ominaisuus, joka ilmaisee materiaalin kykyä siirtää sähkövarausta.SBA 458 Nemesis^® ja laser-salamalaitteet LFA 427, LFA 457 ja LFA 467 muodostavat yhdessä NETZSCH kanssa täydellisen ratkaisun ZT-arvon määrittämiseen.

Skutterudiitti soveltuvana materiaalina lämpösähköisiin sovelluksiin sovellukset

Currently, the enormous costs for development and the presently low efficiency of thermoelectric materials often prevent their application. To overcome this, the efficiency of thermoelectrics must be significantly increased via new developments and modifications.

The objective is to develop materials exhibiting low thermal conductivity, λ, with simultaneously high conductivity, σ, and a high Seebeck coefficient, S. The difficulty here is in the fact that these three properties can only be influenced independently of one another under certain conditions.

Skutterudite in particular has the potential for excellent electrical properties. Skutterudite is a material consisting of cobalt and arsenic, often contaminated by rare earths. It belongs to the class of sulfides. It owes its name to the city of Skutterud in Norway, which is where this naturally occurring mineral, CoAs₃, was first discovered in 1928. It was only in the mid-50s that its excellent electrical properties were recognized. Skutterudite features a very high charge carrier mobility and a medium-sized Seebeck coefficient. Its thermal conductivity, on the other hand, is far too high to have made its efficient use in thermoelectrical applications possible at that point in time. In the 70s, the crystal structure typical for skutterudite was discovered, which can be modified optimally. Two voids in the elementary cell can be filled by the insertion of foreign atoms. This way, the thermal conductivity of skutterudite can be reduced. Since then, skutterudites have been potential candidates for more efficient thermoelectric converters with which, for example, waste heat from the exhaust systems of automobiles could be directly converted into electricity. The following measurement examples show how the ZT value of skutterudite can be determined by means of a single sample.

LFA Measurements

Skutterudiitin dimensiottoman ZT-arvon laskemiseksi määritettiin lämpödiffuusiokyky (kuva 1, punainen käyrä) ja ominaislämpökapasiteetti (kuva 1, musta käyrä) LFA 467 HyperFlash^® -laitteella näytteestä, jonka halkaisija on 12,7 mm. Mittaukset suoritettiin huoneenlämpötilan ja 400 °C:n välillä.

Lämmönjohtavuuden laskeminen perustuu seuraavan yhtälön avulla saatuihin tuloksiin: λ = _{a-Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-ρ}(ks. kuva 2).

SBA-mittaus

With the Sähkönjohtavuus (SBA)Sähkönjohtavuus on fysikaalinen ominaisuus, joka ilmaisee materiaalin kykyä siirtää sähkövarausta.SBA 458 Nemesis^®, the Seebeck coefficient and electrical conductivity of the sample already used for the LFA measurement was determined between RT and 350°C. The Seebeck coefficient increased from 100 μV/K to almost 160 μV/K while the electrical conductivity decreased from approx. 1300 S/cm to 1000 S/cm. The measurement results exhibit excellent reproducibility (± 2%) for both parameters (see figure 3).

The plot in figure 5 represents the increase in ZT value between room temperature and 400°C with a maximum at 0.75.

Summary

Osoitettiin, että lämpöfysikaaliset ominaisuudet - mukaan lukien lämpödiffuusiokyky ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti, Seebeckin kerroin ja Sähkönjohtavuus (SBA)Sähkönjohtavuus on fysikaalinen ominaisuus, joka ilmaisee materiaalin kykyä siirtää sähkövarausta.sähkönjohtavuus - voidaan määrittää käyttämällä vain yhtä näytettä. Käyttäjä säästää näin arvokasta aikaa, koska ylimääräinen näytteen valmistelu näytteen geometrian säätämistä varten ei ole tarpeen.