Een nieuwe studie van de Universiteit van Wollongong overwint een grote uitdaging van thermo-elektrische materialen, die warmte kan omzetten in elektriciteit en vice versa, verbetering van de conversie-efficiëntie met meer dan 60%.

Huidige en potentiële toekomstige toepassingen variëren van onderhoudsarme, solid-state koeling tot compact, koolstofvrije energieopwekking, die kunnen bestaan ​​uit kleine, persoonlijke apparaten aangedreven door de lichaamseigen warmte.

"De ontkoppeling van elektronisch (op elektronen gebaseerd) en thermisch (op fononen gebaseerd) transport zal een game-changer zijn in deze industrie, ", zegt professor Xiaolin Wang van de UOW.

Thermo-elektrische toepassingen en uitdagingen

Op bismut-telluride gebaseerde materialen (Bi2Te3, Sb2Te3 en hun legeringen) zijn de meest succesvolle commercieel verkrijgbare thermo-elektrische materialen, met huidige en toekomstige toepassingen die in twee categorieën vallen:het omzetten van elektriciteit in warmte, en vice versa:

• Elektriciteit omzetten in warmte:betrouwbaar, onderhoudsarme solid-state koeling (warmtepomp) zonder bewegende delen, geen geluid, en geen trillingen.
• Warmte omzetten in elektriciteit, inclusief fossielvrije energieopwekking uit een breed scala aan warmtebronnen of gratis micro-apparaten aandrijven, omgevings- of lichaamstemperatuur gebruiken.

Warmtewinning maakt gebruik van de gratis, overvloedige warmtebronnen geleverd door lichaamswarmte, auto's, elke dag leven, en industrieel proces. Zonder dat er batterijen of een voeding nodig zijn, thermo-elektrische materialen kunnen worden gebruikt om intelligente sensoren op afstand van stroom te voorzien, ontoegankelijke locaties.

Een voortdurende uitdaging van thermo-elektrische materialen is de balans tussen elektrische en thermische eigenschappen:in de meeste gevallen een verbetering van de elektrische eigenschappen van een materiaal (hogere elektrische geleidbaarheid) betekent een verslechtering van de thermische eigenschappen (hogere thermische geleidbaarheid), en vice versa.

"De sleutel is om thermisch transport en elektrisch transport te ontkoppelen, " zegt hoofdauteur, doctoraat student Guangsai Yang.

Betere efficiëntie door ontkoppeling

Het driejarige project bij UOW's Institute of Superconductivity and Electronic Materials (ISEM) vond een manier om zowel thermische als elektronische eigenschappen te ontkoppelen en tegelijkertijd te verbeteren.

Het team voegde een kleine hoeveelheid amorfe nano-boordeeltjes toe aan op bismuttelluride gebaseerde thermo-elektrische materialen, met behulp van nano-defect engineering en structureel ontwerp.

Amorfe nano-boordeeltjes werden geïntroduceerd met behulp van de spark plasma sintering (SPS)-methode.

"Dit vermindert de thermische geleidbaarheid van het materiaal, en verhoogt tegelijkertijd de elektronentransmissie, " legt de corresponderende auteur Prof Xiaolin Wang uit.

"Het geheim van thermo-elektrische materiaaltechniek is het manipuleren van het fonon- en elektronentransport, " legt professor Wang uit.

Omdat elektronen zowel warmte transporteren als elektriciteit geleiden, materiaaltechniek op basis van alleen elektronentransport is gevoelig voor de eeuwige wisselwerking tussen thermische en elektrische eigenschappen.

fononen, anderzijds, alleen warmte dragen. Daarom, het blokkeren van fonontransport vermindert de thermische geleidbaarheid veroorzaakt door roostertrillingen, zonder de elektronische eigenschappen te beïnvloeden.

"De sleutel tot het verbeteren van de thermo-elektrische efficiëntie is het minimaliseren van de warmtestroom via fononblokkering, en maximaliseer de elektronenstroom via (elektronenoverdracht), ", zegt Guangsai Yang. "Dit is de oorsprong van de recordhoge thermo-elektrische efficiëntie in onze materialen."

Het resultaat is een recordhoge conversie-efficiëntie van 11,3%, wat 60% beter is dan in de handel verkrijgbare materialen bereid door de zone-smeltmethode.

Behalve dat het de meest succesvolle commercieel verkrijgbare thermo-elektrische materialen zijn, Op bismut-telluride gebaseerde materialen zijn ook typische topologische isolatoren.

Ultrahoge thermo-elektrische prestaties in bulk BiSbTe/Amorphous Boron Composites met Nano-Defect Architectures werd gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen in september 2020.