Skutterudite: Termoelektrik Uygulamalar için Yüksek Performanslı Malzeme

Termoelektrik Malzemelerin Önemi ve Uygulama Olanakları

Enerji verimliliğinin optimizasyonu²¹. yüzyılın en önemli zorluklarından biridir. Birçok endüstriyel uygulamada, büyük miktarlarda kullanılmayan termal enerji üretilmektedir. Eritme fırınları, yakma tesisleri, enerji santralleri ve hatta motorlu taşıtlar tarafından üretilen bu atık ısı, elektrik enerjisi üretimi için kullanılabilir. Bu, olumlu bir çevresel etkiye sahip olmanın yanı sıra, endüstriyel tesislerin genel verimliliğini ve karlılığını artırmaya da önemli ölçüde katkıda bulunacaktır. İşte termoelektrikler burada devreye giriyor.

bilindiği üzere "termoelektrik jeneratörler" geliştirilmiştir ve kullanılabilir sıcaklık farklarının mevcut olduğu tüm alanlarda kullanılabilirler. Bu tür uygulamalar, yüksek verimliliğe sahip termoelektrik malzemelerin geliştirilmesini gerektirir.

Termofiziksel ve Termoelektrik Özelliklerin Belirlenmesi

Termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi ve optimizasyonu için termofiziksel ve termoelektrik özelliklerin bilinmesi şarttır. Verimliliğin değerlendirilmesi için liyakat rakamı (ZT değeri) kullanılır. Bu termoelektrik rakam, özel bir malzemenin termoelektrik jeneratörde kullanım için ne kadar iyi veya kötü uygun olduğunu açıklar. ZT değeri böylece malzemenin verimliliği hakkında bilgi verir.

SBA 458 Nemesis^® ile Seebeck katsayısı, S ve elektrik iletkenliği, σ, aynı anda belirlenebilir. LFA kullanılarak, özgül ısı kapasitesi, _{Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp} ve Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite, a, doğrudan ölçülebilir. YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. Yoğunluk, ρ ile birlikte Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik, λ, hesaplanabilir.

SBA 458 Nemesis^® ve lazer flaş aparatları LFA 427, LFA 457 ve LFA 467 ile NETZSCH, ZT değerinin belirlenmesi için eksiksiz bir çözüm sunar.

Termoelektrik Uygulamalar için Uygun Bir Malzeme Olarak Skutterudite

Halihazırda, termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi için gereken muazzam maliyetler ve halihazırdaki düşük verimlilikleri genellikle uygulamalarını engellemektedir. Bunun üstesinden gelmek için, termoelektriklerin verimliliği yeni gelişmeler ve modifikasyonlar yoluyla önemli ölçüde artırılmalıdır.

Amaç, aynı anda yüksek iletkenlik, σ ve yüksek Seebeck katsayısı, S ile düşük ısı iletkenliği, λ, sergileyen malzemeler geliştirmektir. Buradaki zorluk, bu üç özelliğin sadece belirli koşullar altında birbirinden bağımsız olarak etkilenebilmesidir.

Özellikle Skutterudite mükemmel elektriksel özellikler için potansiyele sahiptir. Skutterudit, kobalt ve arsenikten oluşan ve genellikle nadir toprak elementleri ile kirlenmiş bir malzemedir. Sülfitler sınıfına aittir. Adını, doğal olarak oluşan bu mineralin (_CoAs3) ilk kez 1928 yılında keşfedildiği Norveç'teki Skutterud şehrine borçludur. Mükemmel elektriksel özelliklerinin farkına ancak 50'li yılların ortalarında varılmıştır. Skutterudite çok yüksek bir yük taşıyıcı hareketliliğine ve medium büyüklüğünde bir Seebeck katsayısına sahiptir. Öte yandan termal iletkenliği, o dönemde termoelektrik uygulamalarda verimli kullanımını mümkün kılmayacak kadar yüksektir. 70'li yıllarda, skutterudit için tipik olan ve optimum şekilde modifiye edilebilen kristal yapı keşfedilmiştir. Temel hücredeki iki boşluk yabancı atomların eklenmesiyle doldurulabilir. Bu şekilde skutteruditin termal iletkenliği azaltılabilir. O zamandan beri skutteruditler, örneğin otomobillerin egzoz sistemlerinden gelen atık ısının doğrudan elektriğe dönüştürülebileceği daha verimli termoelektrik dönüştürücüler için potansiyel adaylar olmuştur. Aşağıdaki ölçüm örnekleri, skutteruditin ZT değerinin tek bir numune aracılığıyla nasıl belirlenebileceğini göstermektedir.

LFA Ölçümleri

Skutteruditin boyutsuz ZT değerinin hesaplanması için, 12,7 mm çapındaki bir numune üzerinde LFA 467 HyperFlash^® ile Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite (Şekil 1, kırmızı eğri) ve özgül ısı kapasitesi (Şekil 1, siyah eğri) belirlenmiştir. Ölçümler oda sıcaklığı ile 400°C arasında gerçekleştirilmiştir.

1) LFA yöntemi ile Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite (kırmızı eğri) ve özgül ısı kapasitesi (siyah eğri) ölçümü

Termal iletkenliğin hesaplanması aşağıdaki denklem aracılığıyla elde edilen sonuçlara dayanmaktadır: λ = _{a-Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp-ρ}(bkz. Şekil 2).

SBA Ölçümü

SBA 458 Nemesis^® ile, LFA ölçümü için kullanılan numunenin Seebeck katsayısı ve elektrik iletkenliği RT ve 350°C arasında belirlenmiştir. Seebeck katsayısı 100 μV/K'dan neredeyse 160 μV/K'ya yükselirken elektrik iletkenliği yaklaşık 1300 S/cm'den 1000 S/cm'ye düşmüştür. Ölçüm sonuçları her iki parametre için de mükemmel bir tekrarlanabilirlik (± %2) sergilemektedir (bkz. Şekil 3).