Skutterudite: materiale ad alte prestazioni per applicazioni termoelettriche

L'importanza dei materiali termoelettrici e le loro possibilità di applicazione

L'ottimizzazione dell'efficienza energetica è una delle principali sfide del^XXI secolo. In molte applicazioni industriali si generano enormi quantità di energia termica inutilizzata. Il calore di scarto viene prodotto da forni diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, impianti di incenerimento, centrali elettriche e persino veicoli a motore e potrebbe essere utilizzato per la generazione di energia elettrica. Oltre ad avere un impatto ambientale positivo, ciò contribuirebbe in modo significativo ad aumentare l'efficienza complessiva e la redditività degli impianti industriali. È qui che entra in gioco la termoelettrica.

i "generatori termoelettrici", come vengono chiamati, sono sviluppati e possono essere impiegati in tutti i settori in cui sono disponibili differenze di temperatura utilizzabili. Tali applicazioni richiedono lo sviluppo di materiali termoelettrici ad alta efficienza.

Determinazione delle proprietà termofisiche e termoelettriche

Per lo sviluppo e l'ottimizzazione dei materiali termoelettrici, la conoscenza delle proprietà termofisiche e termoelettriche è essenziale. Per valutare l'efficienza, si utilizza la cifra di merito (valore ZT). Questa figura termoelettrica descrive quanto un materiale speciale sia adatto o meno all'uso in un generatore termoelettrico. Il valore ZT fornisce quindi informazioni sull'efficienza del materiale.

Con l'SBA 458 Nemesis^® è possibile determinare contemporaneamente il Coefficiente di SeebeckIl coefficiente di Seebeck è il rapporto tra la tensione termoelettrica indotta e la differenza di temperatura tra due punti di un conduttore elettrico.coefficiente di Seebeck, S, e la Conduttività elettrica (SBA)La conducibilità elettrica è una proprietà fisica che indica la capacità di un materiale di consentire il trasporto di una carica elettrica.conduttività elettrica, σ. Utilizzando l'LFA, è possibile misurare direttamente laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, _{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp}, e la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, a. Insieme alla densità, ρ, è possibile calcolare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, λ.

Con l'SBA 458 Nemesis^® e gli apparecchi laser flash LFA 427, LFA 457 e LFA 467, NETZSCH offre una soluzione completa per la determinazione del valore ZT.

La skutterudite come materiale appropriato per le applicazioni termoelettriche

Attualmente, gli enormi costi di sviluppo e la scarsa efficienza dei materiali termoelettrici ne impediscono spesso l'applicazione. Per superare questo problema, l'efficienza dei materiali termoelettrici deve essere aumentata in modo significativo attraverso nuovi sviluppi e modifiche.

L'obiettivo è quello di sviluppare materiali che presentino una bassa conducibilità termica, λ, e contemporaneamente un'alta conducibilità, σ, e un alto Coefficiente di SeebeckIl coefficiente di Seebeck è il rapporto tra la tensione termoelettrica indotta e la differenza di temperatura tra due punti di un conduttore elettrico.coefficiente di Seebeck, S. La difficoltà sta nel fatto che queste tre proprietà possono essere influenzate indipendentemente l'una dall'altra solo in determinate condizioni.

La skutterudite, in particolare, ha il potenziale per ottenere eccellenti proprietà elettriche. La skutterudite è un materiale composto da cobalto e arsenico, spesso contaminato da terre rare. Appartiene alla classe dei solfuri. Deve il suo nome alla città di Skutterud, in Norvegia, dove questo minerale naturale, il _CoAs3, è stato scoperto per la prima volta nel 1928. Solo a metà degli anni '50 sono state riconosciute le sue eccellenti proprietà elettriche. La skutterudite presenta un'elevatissima mobilità dei portatori di carica e un Coefficiente di SeebeckIl coefficiente di Seebeck è il rapporto tra la tensione termoelettrica indotta e la differenza di temperatura tra due punti di un conduttore elettrico.coefficiente di Seebeck di dimensioni medium. La sua conducibilità termica, invece, è troppo elevata per renderne possibile l'uso efficiente in applicazioni termoelettriche. Negli anni '70 è stata scoperta la struttura cristallina tipica della skutterudite, che può essere modificata in modo ottimale. Due vuoti nella cella elementare possono essere riempiti con l'inserimento di atomi estranei. In questo modo, la conducibilità termica della skutterudite può essere ridotta. Da allora, le skutteruditi sono state potenziali candidate per convertitori termoelettrici più efficienti con i quali, ad esempio, il calore di scarto dei sistemi di scarico delle automobili potrebbe essere convertito direttamente in elettricità. I seguenti esempi di misurazione mostrano come sia possibile determinare il valore ZT della skutterudite per mezzo di un singolo campione.

Misure LFA

Per il calcolo del valore ZT adimensionale della skutterudite, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica (figura 1, curva rossa) e laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (figura 1, curva nera) sono state determinate con l'LFA 467 HyperFlash^® su un campione con un diametro di 12,7 mm. Le misure sono state effettuate tra la temperatura ambiente e i 400°C.

Il calcolo della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica si basa sui risultati ottenuti con la seguente equazione: λ = _{a-Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp-ρ}(vedi figura 2).

Misura SBA

Con l'SBA 458 Nemesis^®, sono stati determinati il Coefficiente di SeebeckIl coefficiente di Seebeck è il rapporto tra la tensione termoelettrica indotta e la differenza di temperatura tra due punti di un conduttore elettrico.coefficiente di Seebeck e la conducibilità elettrica del campione già utilizzato per la misurazione LFA tra RT e 350°C. Il Coefficiente di SeebeckIl coefficiente di Seebeck è il rapporto tra la tensione termoelettrica indotta e la differenza di temperatura tra due punti di un conduttore elettrico.coefficiente di Seebeck è aumentato da 100 μV/K a quasi 160 μV/K, mentre la conducibilità elettrica è diminuita da circa 1300 S/cm a 1000 S/cm. I risultati delle misure mostrano un'eccellente riproducibilità (± 2%) per entrambi i parametri (vedi figura 3).

Il grafico in figura 5 rappresenta l'aumento del valore ZT tra la temperatura ambiente e i 400°C, con un massimo a 0,75.

Sintesi

È stato dimostrato che le proprietà termofisiche - tra cui la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, il coefficiente di Seebeck e la Conduttività elettrica (SBA)La conducibilità elettrica è una proprietà fisica che indica la capacità di un materiale di consentire il trasporto di una carica elettrica.conduttività elettrica - possono essere determinate utilizzando un solo campione. In questo modo, l'utente risparmia tempo prezioso, poiché non è necessaria un'ulteriore preparazione del campione per regolarne la geometria.