20.07.2022 - Hokkaido University

Effizientes, stabiles und umweltfreundliches thermoelektrisches Material entdeckt

Abwärme ist eine vielversprechende Quelle für die Energieeinsparung und -wiederverwendung durch die Umwandlung dieser Wärme in Elektrizität - ein Prozess, der als thermoelektrische Umwandlung bezeichnet wird. Kommerziell erhältliche thermoelektrische Umwandlungsgeräte werden unter Verwendung seltener Metalle synthetisiert. Diese sind zwar recht effizient, aber auch teuer, und in den meisten Fällen werden giftige Materialien verwendet. Beide Faktoren haben dazu geführt, dass diese Wandler nur begrenzt einsetzbar sind. Eine der Alternativen sind thermoelektrische Materialien auf Oxidbasis, deren Hauptnachteil jedoch darin besteht, dass ihre Stabilität bei hohen Temperaturen nicht nachgewiesen ist.

Ein Team unter der Leitung von Professor Hiromichi Ohta vom Forschungsinstitut für elektronische Wissenschaften der Universität Hokkaido hat einen thermoelektrischen Wandler aus Bariumkobaltoxid synthetisiert, der bei Temperaturen von bis zu 600 °C reproduzierbar stabil und effizient ist. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

Die thermoelektrische Umwandlung wird durch den Seebeck-Effekt angetrieben: Wenn ein Temperaturunterschied zwischen einem leitenden Material besteht, wird ein elektrischer Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Umwandlung hängt jedoch von einem Wert ab, der als thermoelektrische Gütezahl ZT bezeichnet wird. In der Vergangenheit hatten Wandler auf Oxidbasis eine niedrige ZT, aber die jüngste Forschung hat viele Kandidaten mit einer hohen ZT aufgedeckt, deren Stabilität bei hohen Temperaturen jedoch nicht gut dokumentiert war.

Die Gruppe von Hiromichi Ohta arbeitet seit über zwei Jahrzehnten an geschichteten Kobaltoxidfilmen. In dieser Studie untersuchte das Team die thermische und chemische Stabilität dieser Schichten sowie die Messung ihrer ZT-Werte bei hohen Temperaturen. Sie testeten Kobaltoxidfilme, die mit Natrium, Kalzium, Strontium oder Barium beschichtet waren, und analysierten ihre Struktur, ihren spezifischen Widerstand und ihre Wärmeleitfähigkeit.

Sie stellten fest, dass von den vier Varianten die Barium-Kobaltoxid-Schicht ihre Stabilität in Bezug auf die strukturelle Integrität und den elektrischen Widerstand bei Temperaturen von bis zu 600 °C beibehielt. Im Vergleich dazu waren die Natrium- und Kalziumkobaltoxid-Schichten nur bis 350 °C stabil, und die Strontiumkobaltoxid-Schicht war bis zu 450 °C stabil. Der ZT-Wert des Bariumkobaltoxidfilms stieg mit der Temperatur an und erreichte bei 600 °C ~0,55, vergleichbar mit einigen kommerziell erhältlichen thermoelektrischen Wandlern.

"Unsere Studie hat gezeigt, dass Barium-Kobalt-Oxid-Filme hervorragende Kandidaten für thermoelektrische Hochtemperatur-Umwandlungsgeräte sind", so Hiromichi Ohta. "Außerdem sind sie umweltfreundlich und haben damit das Potenzial für einen breiten Einsatz."

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