Een onderzoeksteam heeft aangetoond dat de transversale thermo-elektrische conversie (dat wil zeggen de energieconversie tussen ladings- en warmtestromen die orthogonaal ten opzichte van elkaar stromen) aanzienlijk kan worden verbeterd door magnetische velden aan te leggen of gebruik te maken van magnetisme.

Daarnaast ontwikkelde het team een ​​thermo-elektrische permanente magneet – een nieuw functioneel materiaal dat in staat is tot thermo-elektrische koeling en energieopwekking – door permanente magneten en thermo-elektrische materialen te combineren tot een hybride structuur. Deze resultaten kunnen als leidraad dienen bij het bereiken van thermisch beheer en het oogsten van energie met behulp van gewone magneten.

Het Seebeck-effect en het Peltier-effect zijn uitgebreid onderzocht vanwege hun toepassing op thermo-elektrische conversietechnologieën (TEC). Deze effecten worden geclassificeerd als longitudinale TEC-verschijnselen:conversie tussen ladings- en warmtestromen die parallel aan elkaar stromen.

Hoewel longitudinale TEC-apparaten een hogere energieconversie-efficiëntie hebben dan hun transversale tegenhangers, zijn hun structuren complexer. Daarentegen kunnen structureel eenvoudigere transversale TEC-apparaten lage energieverliezen, lage productiekosten en uitstekende duurzaamheid hebben.

Om het praktische gebruik van transversale TEC-apparaten te bereiken, moet hun conversie-efficiëntie echter worden verbeterd. Transverse TEC wordt aangedreven door verschillende soorten fysische verschijnselen:magnetisch geïnduceerde verschijnselen (dwz het magneto-thermo-elektrische effect) en verschijnselen die worden toegeschreven aan anisotrope kristallijne of elektronische structuren. Deze verschijnselen werden voorheen alleen onafhankelijk van elkaar onderzocht.

Dit onderzoeksteam van het National Institute for Materials Science (NIMS) heeft onlangs een kunstmatig gekanteld meerlaags materiaal gefabriceerd:een hybride materiaal dat in staat is om tegelijkertijd drie verschillende soorten TEC-verschijnselen te vertonen, waaronder de magnetothermo-elektrische effecten. Het team demonstreerde vervolgens de verbeterde koelprestaties van dit materiaal dankzij de dwarse TEC.

Door het afwisselend stapelen en verlijmen van Bi₈₈ ontstond het hybride materiaal Sb₁₂ platen van legeringen, die grote magnetothermo-elektrische effecten vertonen, en Bi_0.2 Sb_1.8 Te₃ platen van legeringen, die een groot Peltier-effect vertonen.

Deze stapel werd vervolgens diagonaal doorgesneden om het kunstmatig betegelde meerlaagse materiaal te vormen. Wanneer magnetische velden op dit materiaal werden toegepast, nam de transversale TEC-efficiëntie toe, wat toegeschreven bleek te worden aan de gecombineerde effecten van de drie soorten TEC-verschijnselen.

Het team verving vervolgens de Bi_0.2 Sb_1.8 Te₃ platen van legeringen met permanente magneten en ontdekte dat de transversale TEC-prestaties kunnen worden verbeterd door de magnetothermo-elektrische effecten, zelfs zonder externe magnetische velden.

Dit onderzoek heeft aangetoond hoe magnetische materialen kunnen worden ontworpen om hun thermo-elektrische koeling en energieopwekkingsmogelijkheden te vergroten. Het team zal in toekomstig onderzoek materialen/apparaten ontwikkelen met beter thermisch beheer en energieoogstmogelijkheden voor een duurzame samenleving en verbeterde IoT-systemen.

Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Energy Materials .

Meer informatie: Ken‐ichi Uchida et al, Hybride transversale magneto-thermo-elektrische koeling in kunstmatig gekantelde meerlagen, Geavanceerde energiematerialen (2023). DOI:10.1002/aenm.202302375

Journaalinformatie: Geavanceerde energiematerialen

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen