Skutterudite: Material Berkinerja Tinggi untuk Aplikasi Termoelektrik

Pentingnya Material Termoelektrik dan Kemungkinan Penerapannya

Optimalisasi efisiensi energi adalah salah satu tantangan utama di abad^ke-21. Dalam banyak aplikasi industri, sejumlah besar energi panas yang tidak terpakai dihasilkan. Limbah panas tersebut dihasilkan oleh tungku peleburan, pabrik insinerasi, pembangkit listrik, dan bahkan kendaraan bermotor - dan semuanya dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Selain memiliki dampak positif terhadap lingkungan, hal ini juga akan memberikan kontribusi yang signifikan dalam meningkatkan efisiensi dan profitabilitas pabrik industri secara keseluruhan. Di situlah termoelektrik berperan.

"Generator termoelektrik", seperti yang dikenal, dikembangkan dan dapat digunakan di semua area di mana perbedaan suhu yang dapat digunakan tersedia. Aplikasi semacam itu membutuhkan pengembangan bahan termoelektrik dengan efisiensi tinggi.

Penentuan Sifat Termofisika dan Termoelektrik

Untuk pengembangan dan pengoptimalan bahan termoelektrik, pengetahuan tentang sifat termofisika dan termoelektrik sangat penting. Untuk penilaian efisiensi, angka prestasi (nilai ZT) digunakan. Angka termoelektrik ini menggambarkan seberapa baik atau buruknya kecocokan bahan khusus untuk digunakan dalam generator termoelektrik. Nilai ZT dengan demikian menghasilkan informasi tentang efisiensi material.

Dengan Konduktivitas Listrik (SBA)Konduktivitas listrik adalah properti fisik yang menunjukkan kemampuan material untuk memungkinkan pengangkutan muatan listrik. SBA 458 Nemesis^®, Koefisien SeebeckKoefisien Seebeck adalah rasio tegangan termoelektrik yang diinduksi terhadap perbedaan suhu antara dua titik pada konduktor listrik.koefisien Seebeck, S, dan Konduktivitas Listrik (SBA)Konduktivitas listrik adalah properti fisik yang menunjukkan kemampuan material untuk memungkinkan pengangkutan muatan listrik.konduktivitas listrik, σ, dapat ditentukan secara bersamaan. Dengan menggunakan LFA, Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik, _{Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp}, dan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal, a, dapat diukur secara langsung. Bersama dengan densitas, ρ, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal, λ, dapat dihitung.

Dengan Konduktivitas Listrik (SBA)Konduktivitas listrik adalah properti fisik yang menunjukkan kemampuan material untuk memungkinkan pengangkutan muatan listrik. SBA 458 Nemesis^® dan peralatan laser flash LFA 427, LFA 457 dan LFA 467, NETZSCH menawarkan solusi lengkap untuk penentuan nilai ZT.

Skutterudite sebagai Bahan yang Tepat untuk Aplikasi Termoelektrik

Saat ini, biaya yang sangat besar untuk pengembangan dan efisiensi bahan termoelektrik yang saat ini masih rendah sering kali menghalangi aplikasinya. Untuk mengatasi hal ini, efisiensi termoelektrik harus ditingkatkan secara signifikan melalui pengembangan dan modifikasi baru.

Tujuannya adalah untuk mengembangkan bahan yang menunjukkan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal rendah, λ, dengan konduktivitas tinggi secara bersamaan, σ, dan Koefisien SeebeckKoefisien Seebeck adalah rasio tegangan termoelektrik yang diinduksi terhadap perbedaan suhu antara dua titik pada konduktor listrik.koefisien Seebeck yang tinggi, S. Kesulitannya di sini adalah pada kenyataan bahwa ketiga sifat ini hanya dapat dipengaruhi secara independen satu sama lain dalam kondisi tertentu.

Skutterudite secara khusus memiliki potensi sifat listrik yang sangat baik. Skutterudite adalah bahan yang terdiri dari kobalt dan arsenik, yang sering terkontaminasi oleh tanah jarang. Itu termasuk dalam kelas sulfida. Namanya berasal dari kota Skutterud di Norwegia, yang merupakan tempat mineral yang terbentuk secara alami, _CoAs3, pertama kali ditemukan pada tahun 1928. Baru pada pertengahan tahun 50-an, sifat kelistrikannya yang luar biasa diakui. medium Skutterudite memiliki mobilitas pembawa muatan yang sangat tinggi dan Koefisien SeebeckKoefisien Seebeck adalah rasio tegangan termoelektrik yang diinduksi terhadap perbedaan suhu antara dua titik pada konduktor listrik.koefisien Seebeck yang sangat besar. Konduktivitas termalnya, di sisi lain, terlalu tinggi untuk memungkinkan penggunaan yang efisien dalam aplikasi termoelektrik pada saat itu. Pada tahun 70-an, struktur kristal yang khas untuk skutterudite ditemukan, yang dapat dimodifikasi secara optimal. Dua rongga dalam sel elementer dapat diisi dengan penyisipan atom asing. Dengan cara ini, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal skutterudite dapat dikurangi. Sejak saat itu, skutterudite telah menjadi kandidat potensial untuk konverter termoelektrik yang lebih efisien, yang dengannya, misalnya, limbah panas dari sistem pembuangan mobil dapat secara langsung diubah menjadi listrik. Contoh pengukuran berikut ini menunjukkan bagaimana nilai ZT dari skutterudite dapat ditentukan dengan menggunakan satu sampel.