Skutterudit: Nagy teljesítményű anyag termoelektromos alkalmazásokhoz

A termoelektromos anyagok jelentősége és alkalmazási lehetőségeik

Az energiahatékonyság optimalizálása a^21. század egyik legnagyobb kihívása. Számos ipari alkalmazásban hatalmas mennyiségű fel nem használt hőenergia keletkezik. Ilyen hulladékhő keletkezik olvasztókemencékben, égetőművekben, erőművekben, sőt még gépjárművekben is - és mind felhasználható lenne elektromos energia előállítására. Ez a pozitív környezeti hatás mellett jelentősen hozzájárulna az ipari üzemek általános hatékonyságának és jövedelmezőségének növeléséhez is. Itt jön a képbe a termoelektromosság.

a "termoelektromos generátorokat", ahogyan őket nevezik, kifejlesztették, és minden olyan területen alkalmazhatók, ahol használható hőmérsékletkülönbségek állnak rendelkezésre. Az ilyen alkalmazásokhoz nagy hatásfokú termoelektromos anyagok kifejlesztésére van szükség.

A termofizikai és termoelektromos tulajdonságok meghatározása

A termoelektromos anyagok fejlesztéséhez és optimalizálásához elengedhetetlen a termofizikai és termoelektromos tulajdonságok ismerete. A hatásfok értékelésére az érdemszámot (ZT-érték) használják. Ez a termoelektromos számadat azt írja le, hogy egy speciális anyag mennyire alkalmas vagy mennyire alkalmatlan a termoelektromos generátorban való felhasználásra. A ZT-érték tehát információt szolgáltat az anyag hatásfokáról.

Az Elektromos vezetőképesség (SBA)Az elektromos vezetőképesség egy olyan fizikai tulajdonság, amely az anyag azon képességét jelzi, hogy lehetővé teszi az elektromos töltés továbbítását.SBA 458 Nemesis^® segítségével egyidejűleg meghatározható a Seebeck-együttható, S, és az Elektromos vezetőképesség (SBA)Az elektromos vezetőképesség egy olyan fizikai tulajdonság, amely az anyag azon képességét jelzi, hogy lehetővé teszi az elektromos töltés továbbítását.elektromos vezetőképesség, σ, is. Az LFA segítségével közvetlenül mérhető a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás, _{Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp}, és a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, a. A ρ sűrűséggel együtt kiszámítható a λ hővezetési tényező.

Az Elektromos vezetőképesség (SBA)Az elektromos vezetőképesség egy olyan fizikai tulajdonság, amely az anyag azon képességét jelzi, hogy lehetővé teszi az elektromos töltés továbbítását.SBA 458 Nemesis^® és az LFA 427, LFA 457 és LFA 467 lézervillantó készülékekkel a NETZSCH teljes megoldást kínál a ZT érték meghatározására.

Skutterudit mint megfelelő anyag termoelektromos alkalmazásokhoz

Jelenleg a fejlesztés hatalmas költségei és a termoelektromos anyagok jelenleg alacsony hatásfoka gyakran megakadályozza alkalmazásukat. Ennek kiküszöbölése érdekében a termoelektromos anyagok hatékonyságát új fejlesztések és módosítások révén jelentősen növelni kell.

A cél olyan anyagok kifejlesztése, amelyek alacsony hővezető képességet, λ-t, és egyidejűleg magas vezetőképességet, σ-t, és magas Seebeck-együtthatót, S-t, mutatnak. A nehézséget itt az jelenti, hogy e három tulajdonság csak bizonyos feltételek mellett, egymástól függetlenül befolyásolható.

A skutterudit különösen kiváló elektromos tulajdonságokkal rendelkezik. A skutterudit kobaltból és arzénből álló, gyakran ritkaföldfémekkel szennyezett anyag. A szulfidok osztályába tartozik. Nevét a norvégiai Skutterud városának köszönheti, ahol 1928-ban először fedezték fel ezt a természetben előforduló ásványt, a _CoAs3-at. Kiváló elektromos tulajdonságait csak az 50-es évek közepén ismerték fel. A Skutterudit nagyon nagy töltéshordozó-mobilitással és medium-méretű Seebeck-együtthatóval rendelkezik. Hővezető képessége viszont túlságosan magas ahhoz, hogy a termoelektromos alkalmazásokban való hatékony felhasználása akkoriban még nem volt lehetséges. A 70-es években fedezték fel a skutteruditra jellemző kristályszerkezetet, amely optimálisan módosítható. Az elemi cellában lévő két üreg idegen atomok beillesztésével kitölthető. Így a skutterudit hővezető képessége csökkenthető. Azóta a skutteruditok potenciális jelöltek a hatékonyabb termoelektromos átalakítók számára, amelyekkel például az autók kipufogórendszeréből származó hulladékhőt közvetlenül villamos energiává lehetne alakítani. A következő mérési példák azt mutatják, hogy a skutterudit ZT-értéke hogyan határozható meg egyetlen minta segítségével.

LFA mérések

A skutterudit dimenziótlan ZT-értékének kiszámításához a hővezető képességet (1. ábra, piros görbe) és a fajlagos hőkapacitást (1. ábra, fekete görbe) az LFA 467 HyperFlash^® készülékkel határozták meg egy 12,7 mm átmérőjű mintán. A méréseket szobahőmérséklet és 400 °C között végeztük.

A Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség kiszámítása a következő egyenlet alapján kapott eredményeken alapul: λ = _{a-Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp-ρ}(lásd a 2. ábrát).

SBA mérés

Az Elektromos vezetőképesség (SBA)Az elektromos vezetőképesség egy olyan fizikai tulajdonság, amely az anyag azon képességét jelzi, hogy lehetővé teszi az elektromos töltés továbbítását.SBA 458 Nemesis^® segítségével RT és 350°C között meghatározták az LFA-méréshez már használt minta Seebeck-együtthatóját és Elektromos vezetőképesség (SBA)Az elektromos vezetőképesség egy olyan fizikai tulajdonság, amely az anyag azon képességét jelzi, hogy lehetővé teszi az elektromos töltés továbbítását.elektromos vezetőképességét. A Seebeck-együttható 100 μV/K-ról közel 160 μV/K-ra nőtt, míg az Elektromos vezetőképesség (SBA)Az elektromos vezetőképesség egy olyan fizikai tulajdonság, amely az anyag azon képességét jelzi, hogy lehetővé teszi az elektromos töltés továbbítását.elektromos vezetőképesség kb. 1300 S/cm-ről 1000 S/cm-re csökkent. A mérési eredmények mindkét paraméter esetében kiváló reprodukálhatóságot (± 2%) mutatnak (lásd a 3. ábrát).

Az 5. ábrán látható grafikon a ZT érték növekedését mutatja szobahőmérséklet és 400°C között, amelynek maximuma 0,75-nél van.

Összefoglaló

Kimutatták, hogy a termofizikai tulajdonságok - beleértve a hővezető képességet és a hővezető képességet, a fajlagos hőkapacitást, a Seebeck-együtthatót és az elektromos vezetőképességet - egyetlen minta felhasználásával is meghatározhatók. Így a felhasználó értékes időt takarít meg, mivel nincs szükség további mintaelőkészítésre a minta geometriájának beállításához.