Skutterudit: Högpresterande material för termoelektriska tillämpningar

Betydelsen av termoelektriska material och deras användningsmöjligheter

Att optimera energieffektiviteten är en av de största utmaningarna under ^2000-talet. I många industriella tillämpningar genereras enorma mängder oanvänd värmeenergi. Sådan spillvärme produceras av smältugnar, förbränningsanläggningar, kraftverk och till och med motorfordon - och skulle alla kunna användas för att generera elektrisk energi. Förutom att detta skulle ha en positiv inverkan på miljön skulle det också bidra till att öka den totala effektiviteten och lönsamheten i industrianläggningar. Det är här termoelektrik kommer in i bilden.

"Termoelektriska generatorer", som de kallas, utvecklas och kan användas inom alla områden där det finns användbara temperaturskillnader. Sådana tillämpningar kräver utveckling av termoelektriska material med hög verkningsgrad.

Bestämning av termofysikaliska och termoelektriska egenskaper

För utveckling och optimering av termoelektriska material är det viktigt att känna till de termofysikaliska och termoelektriska egenskaperna. För bedömning av effektiviteten används förtjänsttalet (ZT-värdet). Denna termoelektriska siffra beskriver hur väl eller illa lämpat ett speciellt material är för användning i en termoelektrisk generator. ZT-värdet ger alltså information om materialets verkningsgrad.

Med Elektrisk konduktivitet (SBA)Elektrisk ledningsförmåga är en fysikalisk egenskap som anger ett materials förmåga att tillåta transport av en elektrisk laddning.SBA 458 Nemesis^® kan Seebeck-koefficienten, S, och den elektriska ledningsförmågan, σ, bestämmas samtidigt. Med hjälp av LFA kan den specifika värmekapaciteten, _{Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp}, och den termiska diffusiviteten, a, mätas direkt. Tillsammans med densiteten, ρ, kan värmeledningsförmågan, λ, beräknas.

Med Elektrisk konduktivitet (SBA)Elektrisk ledningsförmåga är en fysikalisk egenskap som anger ett materials förmåga att tillåta transport av en elektrisk laddning.SBA 458 Nemesis^® och laserblixtapparaterna LFA 427, LFA 457 och LFA 467 erbjuder NETZSCH en komplett lösning för bestämning av ZT-värdet.

Skutterudit som lämpligt material för termoelektriska tillämpningar

De enorma utvecklingskostnaderna och den för närvarande låga verkningsgraden hos termoelektriska material hindrar ofta att de används. För att övervinna detta måste effektiviteten hos termoelektriska material ökas avsevärt genom nyutveckling och modifieringar.

Målet är att utveckla material med låg Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga, λ, som samtidigt har hög ledningsförmåga, σ, och hög Seebeck-koefficientSeebeck-koefficienten är förhållandet mellan den inducerade termoelektriska spänningen och temperaturskillnaden mellan två punkter på en elektrisk ledare.Seebeck-koefficient, S. Svårigheten ligger i att dessa tre egenskaper endast kan påverkas oberoende av varandra under vissa förutsättningar.

Skutterudit har i synnerhet potential för utmärkta elektriska egenskaper. Skutterudit är ett material som består av kobolt och arsenik, ofta förorenat av sällsynta jordartsmetaller. Det tillhör klassen sulfider. Det har fått sitt namn från staden Skutterud i Norge, där det naturligt förekommande mineralet _CoAs3 först upptäcktes 1928. Det var först i mitten av 50-talet som man insåg dess utmärkta elektriska egenskaper. Skutterudite har en mycket hög laddningsbärarrörlighet och en Seebeck-koefficientSeebeck-koefficienten är förhållandet mellan den inducerade termoelektriska spänningen och temperaturskillnaden mellan två punkter på en elektrisk ledare.Seebeck-koefficient av storleken medium. Dess Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga är å andra sidan alldeles för hög för att vid den tidpunkten möjliggöra en effektiv användning i termoelektriska applikationer. På 70-talet upptäcktes den kristallstruktur som är typisk för skutterudit och som kan modifieras på ett optimalt sätt. Två hålrum i elementarcellen kan fyllas genom att främmande atomer förs in. På så sätt kan skutteruditens Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga minskas. Sedan dess har skutteruditer varit potentiella kandidater för effektivare termoelektriska omvandlare, med vilka t.ex. spillvärme från bilars avgassystem direkt kan omvandlas till elektricitet. Följande mätexempel visar hur ZT-värdet för skutterudit kan bestämmas med hjälp av ett enda prov.

LFA-mätningar

För beräkning av det dimensionslösa ZT-värdet för skutterudit bestämdes den termiska diffusiviteten (figur 1, röd kurva) och den specifika värmekapaciteten (figur 1, svart kurva) med LFA 467 HyperFlash^® på ett prov med en diameter på 12,7 mm. Mätningarna utfördes mellan rumstemperatur och 400°C.

Beräkningen av värmeledningsförmågan baseras på de resultat som erhålls med hjälp av följande ekvation: λ = _{a-Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-ρ}(se figur 2).

SBA-mätning

Med Elektrisk konduktivitet (SBA)Elektrisk ledningsförmåga är en fysikalisk egenskap som anger ett materials förmåga att tillåta transport av en elektrisk laddning.SBA 458 Nemesis^® bestämdes Seebeck-koefficienten och den elektriska ledningsförmågan hos det prov som redan använts för LFA-mätningen mellan RT och 350°C. Seebeck-koefficienten ökade från 100 μV/K till nästan 160 μV/K medan den elektriska ledningsförmågan minskade från ca 1300 S/cm till 1000 S/cm. Mätresultaten uppvisar utmärkt reproducerbarhet (± 2%) för båda parametrarna (se figur 3).

Diagrammet i figur 5 visar ökningen av ZT-värdet mellan rumstemperatur och 400°C med ett maximum vid 0,75.

Sammanfattning

Det visades att de termofysikaliska egenskaperna - inklusive värmediffusivitet och Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga, Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet, Seebeck-koefficientSeebeck-koefficienten är förhållandet mellan den inducerade termoelektriska spänningen och temperaturskillnaden mellan två punkter på en elektrisk ledare.Seebeck-koefficient och Elektrisk konduktivitet (SBA)Elektrisk ledningsförmåga är en fysikalisk egenskap som anger ett materials förmåga att tillåta transport av en elektrisk laddning.elektrisk ledningsförmåga - kan bestämmas med hjälp av endast ett prov. På så sätt sparar användaren dyrbar tid eftersom ytterligare provberedning för justering av provgeometrin inte är nödvändig.