26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Zwiększanie mocy termoelektrycznej dzięki ceramice nanowstęgowej - nowa droga do wysokowydajnych kobaltytów wapnia
Poszukiwanie nowych sposobów na efektywne wykorzystanie energii i rozwój zrównoważonych technologii jest głównym tematem naszych czasów. Materiały zdolne do przekształcania ciepła bezpośrednio w energię elektryczną - tak zwane materiały termoelektryczne - są zatem coraz częściej w centrum uwagi. Związki ceramiczne oparte na kobaltycie wapnia są uważane za szczególnie obiecujące, ponieważ są wytrzymałe, odporne na wysokie temperatury i wydajne.
W dziedzinie wysokotemperaturowych materiałów termoelektrycznych uzyskanie anizotropowych mikrostruktur w polikrystalicznej ceramice jest kluczową strategią zwiększania przewodności elektrycznej przy jednoczesnym tłumieniu transportu termicznego.
Ale jak można jeszcze bardziej ulepszyć te materiały? Zespół badawczy opracował teraz zupełnie nowe podejście do znacznego zwiększenia właściwości tych związków, czyniąc tym samym ważny krok w kierunku czystszego wytwarzania energii.
Najnowsze badania opublikowane w Journal of the American Ceramic i zatytułowane "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing" prezentują innowacyjne podejście do tego wyzwania.
Od nanowłókien do wysokowydajnej ceramiki
Naukowcy z Leibniz University Hannover i Technion - Israel Institute of Technology z powodzeniem połączyli elektroprzędzenie z sekwencyjnym spiekaniem plazmą iskrową (SPS) i bezkrawędziowym teksturowaniem plazmą iskrową (SPT). Ta strategia przetwarzania została wcześniej przedstawiona na poprzednim blogu, gdzie została zastosowana do ceramiki na bazie proszku CCO.
Kluczową innowacją tego projektu jest wykorzystanie elektroprzędzionych nanorurek jako materiału wyjściowego do tworzenia wysoce teksturowanej ceramiki z kobaltytu wapnia (Ca₃Co₄O₉, CCO).
Te jednowymiarowe prekursory są z natury anizotropowe i już wykazują wyrównaną orientację ziaren. Po spiekaniu i teksturowaniu przy użyciu połączonego podejścia SPS + SPT, powstały kobaltyt ma gęsto upakowaną mikrostrukturę przypominającą cegły, ulepszone wyrównanie dla wydajnego transportu ładunków w płaszczyźnie i zmniejszoną przewodność cieplną z powodu rozpraszania fononów na teksturowanych granicach ziaren.
W temperaturze 1073 K ten obiecujący materiał termoelektryczny osiągnął wartość ZT = 0,53, co jest jedną z najwyższych wartości odnotowanych dla polikrystalicznego CCO.
NETZSCH Analizatory termiczne umożliwiające dokładną ocenę właściwości termoelektrycznych
Laboratorium NETZSCH Analyzing & Testing wykonało niezbędne pomiary dla tej pracy, mierząc dyfuzyjność cieplną za pomocą urządzenia NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash oraz pojemność cieplną właściwą (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) za pomocą NETZSCH DSC 404F1 Pegasus® różnicowego kalorymetru skaningowego.
Oba dane umożliwiły dokładne obliczenie przewodności cieplnej (λ) i wartości ZT, zapewniając bezpośredni wgląd w wpływ nanostrukturyzacji na transport termiczny.
Badanie to podkreśla, w jaki sposób wstępnie ustrukturyzowane, anizotropowe ceramiczne bloki konstrukcyjne mogą znacząco poprawić właściwości termoelektryczne materiałów tlenkowych. Synergia między innowacyjną syntezą i precyzyjną charakterystyką termiczną toruje drogę dla nowych technologii pozyskiwania energii opartych na stabilnej, wysokowydajnej ceramice.
Podziękowania
Niniejsza praca jest wynikiem współpracy między Instytutem Chemii Fizycznej i Elektrochemii Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze (Niemcy) a Wydziałem Inżynierii Chemicznej Wolfson, we współpracy z Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) w Technion-Israel Institute of Technology (Hajfa, Izrael), we współpracy z NETZSCH Analyzing & Testing.
Cieszymy się, że mogliśmy przyczynić się do tych badań, zapewniając specjalistyczną wiedzę w zakresie analizy termicznej i oprzyrządowanie do precyzyjnej charakterystyki właściwości termofizycznych.
Finansowanie tej publikacji w ramach otwartego dostępu zostało umożliwione i zorganizowane przez Projekt DEAL.
Dowiedz się więcej o urządzeniach NETZSCH DSC i LFA do zastosowań wysokotemperaturowych
