Skutterudite: Material de înaltă performanță pentru aplicații termoelectrice

Importanța materialelor termoelectrice și posibilitățile lor de aplicare

Optimizarea eficienței energetice este una dintre provocările majore ale secolului^XXI. În multe aplicații industriale, sunt generate cantități uriașe de energie termică neutilizată. Această căldură reziduală este produsă de cuptoarele de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, de instalațiile de incinerare, de centralele electrice și chiar de autovehicule - și ar putea fi utilizată pentru generarea de energie electrică. Pe lângă impactul pozitiv asupra mediului, acest lucru ar contribui, de asemenea, în mod semnificativ la creșterea eficienței și rentabilității globale a instalațiilor industriale. Aici intră în joc termoelectricele.

"Generatoarele termoelectrice", așa cum sunt cunoscute, sunt dezvoltate și pot fi utilizate în toate domeniile în care sunt disponibile diferențe de temperatură utilizabile. Astfel de aplicații necesită dezvoltarea de materiale termoelectrice cu randament ridicat.

Determinarea proprietăților termofizice și termoelectrice

Pentru dezvoltarea și optimizarea materialelor termoelectrice, cunoașterea proprietăților termofizice și termoelectrice este esențială. Pentru evaluarea eficienței, se utilizează cifra de merit (valoarea ZT). Această cifră termoelectrică descrie cât de bine sau prost se potrivește un material special pentru utilizarea într-un generator termoelectric. Astfel, valoarea ZT oferă informații cu privire la eficiența materialului.

Cu Conductivitate electrică (SBA)Conductivitatea electrică este o proprietate fizică care indică capacitatea unui material de a permite transportul unei sarcini electrice. SBA 458 Nemesis^®, Coeficientul SeebeckCoeficientul Seebeck este raportul dintre tensiunea termoelectrică indusă și diferența de temperatură dintre două puncte ale unui conductor electric.coeficientul Seebeck, S, și conductivitatea electrică, σ, pot fi determinate simultan. Cu ajutorul LFA, capacitatea termică specifică, _{Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp}, și difuzivitatea termică, a, pot fi măsurate direct. Împreună cu densitatea, ρ, poate fi calculată conductivitatea termică, λ.

Cu ajutorul aparatului Conductivitate electrică (SBA)Conductivitatea electrică este o proprietate fizică care indică capacitatea unui material de a permite transportul unei sarcini electrice. SBA 458 Nemesis^® și al aparatelor laser LFA 427, LFA 457 și LFA 467, NETZSCH oferă o soluție completă pentru determinarea valorii ZT.

Skutterudita ca material adecvat pentru aplicații termoelectrice

În prezent, costurile enorme pentru dezvoltare și eficiența scăzută a materialelor termoelectrice împiedică adesea aplicarea acestora. Pentru a depăși această situație, eficiența materialelor termoelectrice trebuie să crească semnificativ prin noi dezvoltări și modificări.

Obiectivul este de a dezvolta materiale care să prezinte o conductivitate termică scăzută, λ, cu o conductivitate ridicată, σ, și un coeficient Seebeck ridicat, S. Dificultatea constă în faptul că aceste trei proprietăți pot fi influențate independent una de cealaltă numai în anumite condiții.

Skutterudita, în special, are potențial pentru proprietăți electrice excelente. Skutterudita este un material format din cobalt și arsenic, adesea contaminat cu pământuri rare. Face parte din clasa sulfurilor. Numele său provine de la orașul Skutterud din Norvegia, unde acest mineral natural, _CoAs3, a fost descoperit pentru prima dată în 1928. Proprietățile sale electrice excelente au fost recunoscute abia la mijlocul anilor '50. Skutterudita prezintă o mobilitate foarte mare a purtătorilor de sarcină și un coeficient Seebeck de mărimea medium. Pe de altă parte, conductivitatea sa termică este mult prea ridicată pentru a face posibilă utilizarea sa eficientă în aplicații termoelectrice la acel moment. În anii '70, a fost descoperită structura cristalină tipică pentru skutterudite, care poate fi modificată în mod optim. Două goluri din celula elementară pot fi umplute prin introducerea de atomi străini. În acest fel, conductivitatea termică a skutteruditei poate fi redusă. De atunci, skutterudiții au fost candidați potențiali pentru convertoare termoelectrice mai eficiente cu ajutorul cărora, de exemplu, căldura reziduală din sistemele de evacuare ale automobilelor ar putea fi transformată direct în energie electrică. Următoarele exemple de măsurare arată modul în care valoarea ZT a skutteruditei poate fi determinată cu ajutorul unei singure probe.

Măsurători LFA

Pentru a calcula valoarea adimensională ZT a skutteruditei, difuzivitatea termică (figura 1, curba roșie) și capacitatea calorică specifică (figura 1, curba neagră) au fost determinate cu LFA 467 HyperFlash^® pe o probă cu un diametru de 12,7 mm. Măsurătorile au fost efectuate între temperatura camerei și 400°C.

Calculul conductivității termice se bazează pe rezultatele obținute cu ajutorul următoarei ecuații: λ = _{a-Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp-ρ}(a se vedea figura 2).

Măsurarea SBA

Cu Conductivitate electrică (SBA)Conductivitatea electrică este o proprietate fizică care indică capacitatea unui material de a permite transportul unei sarcini electrice. SBA 458 Nemesis^®, Coeficientul SeebeckCoeficientul Seebeck este raportul dintre tensiunea termoelectrică indusă și diferența de temperatură dintre două puncte ale unui conductor electric.coeficientul Seebeck și conductivitatea electrică a probei deja utilizate pentru măsurarea LFA au fost determinate între RT și 350°C. Coeficientul SeebeckCoeficientul Seebeck este raportul dintre tensiunea termoelectrică indusă și diferența de temperatură dintre două puncte ale unui conductor electric.Coeficientul Seebeck a crescut de la 100 μV/K la aproape 160 μV/K, în timp ce conductivitatea electrică a scăzut de la aprox. 1300 S/cm la 1000 S/cm. Rezultatele măsurătorilor prezintă o reproductibilitate excelentă (± 2%) pentru ambii parametri (a se vedea figura 3).

Graficul din figura 5 reprezintă creșterea valorii ZT între temperatura camerei și 400°C, cu un maxim la 0,75.

Rezumat

S-a demonstrat că proprietățile termofizice - inclusiv difuzivitatea termică și conductivitatea termică, capacitatea termică specifică, Coeficientul SeebeckCoeficientul Seebeck este raportul dintre tensiunea termoelectrică indusă și diferența de temperatură dintre două puncte ale unui conductor electric.coeficientul Seebeck și conductivitatea electrică - pot fi determinate folosind o singură probă. Astfel, utilizatorul economisește timp prețios, deoarece nu este necesară pregătirea suplimentară a probei pentru ajustarea geometriei probei.