Barokalorisches Material mit hoher Energiedichte könnte kleinere und leichtere Festkörperkühlgeräte ermöglichen
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Ein gemeinsames Forschungsteam des Instituts für Festkörperphysik der Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat einen barokalorischen Effekt mit hoher Energiedichte in dem superionischen Kunststoffleiter Ag₂Te₁₋ₓSₓ entdeckt.
Superionischer Kunststoffleiter Ag₂Te₁₋ₓSₓ
TONG Peng
"Dieses Material zeigt eine volumetrische barokalorische Leistung, die weit über die der meisten bekannten anorganischen Materialien hinausgeht", sagte Prof. TONG Peng, der das Team leitete, "Seine hohe Energiedichte macht es gut geeignet für kleinere und leichtere Kühlgeräte."
Die Ergebnisse wurden online in Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Die moderne Kältetechnik stützt sich hauptsächlich auf Dampfkompressionssysteme, die Kältemittel mit Treibhausgasen verwenden und bereits an der Grenze ihrer Effizienz angelangt sind. Die barokalorische Kühlung - Kühlung durch Druckausübung auf feste Materialien - bietet eine saubere und potenziell effizientere Alternative. Ein Schlüsselfaktor für reale Geräte, die volumetrische Entropieänderung, wurde jedoch bisher nicht ausreichend berücksichtigt.
Mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen fand das Team heraus, dass eine Verkleinerung des Behälters seine Druckbelastbarkeit unter Druck erhöht, was eine Verringerung der Wandstärke ermöglicht und eine sekundäre Gewichtsreduzierung bewirkt. Dies unterstreicht den Bedarf an Materialien mit hoher Energiedichte, doch die meisten bekannten barokalorischen Materialien sind in diesem Bereich noch unzureichend.
In dieser Studie konzentrierte sich das Team auf einen dichten Mischkristall, Ag₂Te₁₋ₓSₓ. Experimente zeigten, dass das Material bei einem moderaten Druck von nur 70 MPa eine reversible volumetrische Entropieänderung von 0,478 J-cm-³-K-¹ erzeugt - der höchste Wert, der bisher für ein anorganisches barokalorisches Material berichtet wurde. Seine barokalorische Stärke, 6,82 mJ-cm-³-K-¹-MPa-¹, übertrifft auch die meisten anorganischen Systeme und übertrifft sogar bekannte organische Materialien wie Neopentylglykol.
Neutronenbeugungsdaten zeigen, was diese ungewöhnlich starke thermische Reaktion verursacht. Bei Druckbeaufschlagung vollzieht das Material eine Strukturverschiebung von einer kubischen zu einer monoklinen Phase, die mit einer Gittervolumenänderung von etwa 5,4 % einhergeht. Gleichzeitig ändert sich die Diffusion von Silberionen innerhalb der Struktur stark, was den Wärmeeffekt weiter verstärkt.
Das Material weist auch mehrere praktische Vorteile auf. Es leitet Wärme relativ gut und ist sehr gut verformbar, so dass es zu millimetergroßen Pellets oder dünnen Platten geformt werden kann, die einen effizienten Wärmeaustausch ermöglichen. Selbst nach starker Verformung, schnellen Temperaturschwankungen und wiederholten Druckzyklen bleibt die barokalorische Leistung stabil - ein wichtiges Zeichen für die Zuverlässigkeit künftiger Festkörperkühltechnologien.
Diese Arbeit stellt eine neue Materialplattform vor, die riesige volumetrische barokalorische Effekte, eine gute mechanische Verarbeitbarkeit und eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit kombiniert und damit neue Möglichkeiten für grüne Kühltechnologien der nächsten Generation bietet.
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