26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Ökad termoelektrisk effekt med nanobandkeramik - en ny väg till högpresterande kalciumkobaltit
Sökandet efter nya sätt att använda energi effektivt och utveckla hållbara tekniker är ett centralt ämne i vår tid. Material som kan omvandla värme direkt till elektrisk energi - så kallade termoelektriska material - hamnar därför alltmer i rampljuset. Keramiska föreningar baserade på kalciumkobaltit anses vara särskilt lovande, eftersom de är robusta, motståndskraftiga mot höga temperaturer och effektiva i sin prestanda.
Inom området termoelektriska material för höga temperaturer är anisotropa mikrostrukturer i polykristallina keramer en viktig strategi för att öka den elektriska ledningsförmågan och samtidigt undertrycka värmetransporten.
Men hur kan dessa material förbättras ytterligare? Ett forskarlag har nu utvecklat ett helt nytt tillvägagångssätt för att avsevärt förbättra egenskaperna hos dessa föreningar och därmed ta ett viktigt steg mot renare energiproduktion.
Den senaste studien, som publicerades i Journal of the American Ceramic med titeln "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", presenterar en innovativ metod för att möta denna utmaning.
Från nanoribbons till högpresterande keramer
Forskare från Leibniz University Hannover och Technion - Israel Institute of Technology har framgångsrikt kombinerat elektrospinning med sekventiell gnistplasmasintring (SPS) och kantfri gnistplasmatexturering (SPT). Denna bearbetningsstrategi har tidigare presenterats i en tidigare blogg, där den tillämpades på CCO-pulverbaserad keramik.
Den viktigaste innovationen i detta projekt är användningen av elektrospunna nanoribbor som utgångsmaterial för att skapa högtexturerade kalciumkobaltitkeramer (Ca₃Co₄O₉, CCO).
Dessa endimensionella prekursorer är till sin natur anisotropa och uppvisar redan en likriktad kornorientering. Efter SintringSintring är en tillverkningsprocess för att forma en mekaniskt stark kropp av ett keramiskt eller metalliskt pulver. sintring och texturering med den kombinerade metoden SPS + SPT har den resulterande kobaltiten en tätpackad, tegelväggsliknande mikrostruktur, en förbättrad inriktning för effektiv laddningstransport i planet och minskad 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 på grund av fononspridning vid texturerade korngränser.
Vid 1073 K uppnådde detta lovande termoelektriska material ett godhetstal ZT = 0,53, vilket är bland de högsta värden som rapporterats för polykristallin CCO.
NETZSCH Termiska analysatorer möjliggör noggrann utvärdering av termoelektriska egenskaper
Laboratoriet NETZSCH Analyzing & Testing bidrog med viktiga mätningar för detta arbete genom att mäta Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet med hjälp av NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash-apparat och 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 (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) med NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Differential Scanning Calorimeter.
Båda uppgifterna möjliggjorde noggrann beräkning av 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) och ZT-värden, vilket ger direkt inblick i nanostruktureringens effekt på värmetransport.
Denna studie belyser hur förstrukturerade, anisotropa keramiska byggstenar avsevärt kan förbättra de termoelektriska egenskaperna hos oxidmaterial. Synergin mellan innovativ syntes och exakt termisk karakterisering banar väg för nya energiskördande tekniker baserade på stabila, högpresterande keramer.
Tack och lov
Detta arbete är resultatet av ett samarbete mellan Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry vid Leibniz University Hannover (Tyskland) och Wolfson Department of Chemical Engineering, i samarbete med Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) vid Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israel), i samarbete med NETZSCH Analyzing & Testing.
Vi är glada över att ha bidragit till denna forskning genom att tillhandahålla expertis inom termisk analys och instrumentering för exakt karakterisering av termofysikaliska egenskaper.
Open access-finansiering för denna publikation möjliggjordes och organiserades av Projekt DEAL.
Läs mer om NETZSCH DSC- och LFA-instrument för högtemperaturtillämpningar
