En ny University of Wollongong-studie övervinner en stor utmaning med termoelektriska material, som kan omvandla värme till el och vice versa, förbättra konverteringseffektiviteten med mer än 60 %.

Nuvarande och potentiella framtida tillämpningar sträcker sig från lågt underhåll, solid state-kylning för att kompaktera, energiproduktion utan koldioxid, som kan innefatta små, personliga enheter som drivs av kroppens egen värme.

"Frånkopplingen av elektronisk (elektronbaserad) och termisk (fononbaserad) transport kommer att vara en spelförändring i denna industri, " säger UOW:s professor Xiaolin Wang.

Termoelektriska applikationer och utmaningar

Vismuttelluridbaserade material (Bi2Te3, Sb2Te3 och deras legeringar) är de mest framgångsrika kommersiellt tillgängliga termoelektriska materialen, med nuvarande och framtida tillämpningar som delas in i två kategorier:omvandling av el till värme, och vice versa:

• Omvandla el till värme:pålitlig, lågunderhållskylning i fast tillstånd (värmepump) utan rörliga delar, inget oljud, och inga vibrationer.
• Konvertera värme till elektricitet inklusive fossilfri kraftgenerering från ett brett utbud av värmekällor eller driva mikroenheter gratis, med hjälp av omgivnings- eller kroppstemperatur.

Värmeskörd drar fördel av det gratis, rikliga värmekällor från kroppsvärme, bilar, vardagsliv, och industriell process. Utan behov av batterier eller strömförsörjning, termoelektriska material kan användas för att driva intelligenta sensorer i fjärrstyrda, otillgängliga platser.

En pågående utmaning för termoelektriska material är balansen mellan elektriska och termiska egenskaper:I de flesta fall, en förbättring av ett materials elektriska egenskaper (högre elektrisk konduktivitet) innebär en försämring av termiska egenskaper (högre termisk konduktivitet), och vice versa.

"Nyckeln är att frikoppla termisk transport och elektrisk transport, säger huvudförfattaren, Ph.D. student Guangsai Yang.

Bättre effektivitet genom frikoppling

Det treåriga projektet vid UOW:s Institute of Superconductivity and Electronic Materials (ISEM) hittade ett sätt att frikoppla och samtidigt förbättra både termiska och elektroniska egenskaper.

Teamet lade till en liten mängd amorfa nano-borpartiklar till vismuttelluridbaserade termoelektriska material, använder nano-defekt ingenjörskonst och strukturell design.

Amorfa nanoborpartiklar introducerades med användning av gnistplasmasintringsmetoden (SPS).

"Detta minskar materialets värmeledningsförmåga, och samtidigt ökar dess elektronöverföring, " förklarar motsvarande författare professor Xiaolin Wang.

"Hemligheten med termoelektrisk materialteknik är att manipulera fonon- och elektrontransporten, " förklarar professor Wang.

Eftersom elektroner både bär värme och leder elektricitet, materialteknik baserad på enbart elektrontransport är benägen till den ständiga avvägningen mellan termiska och elektriska egenskaper.

fononer, å andra sidan, bär bara värme. Därför, blockering av fonontransport minskar värmeledningsförmåga inducerad av gittervibrationer, utan att påverka elektroniska egenskaper.

"Nyckeln till att förbättra termoelektrisk effektivitet är att minimera värmeflödet via fononblockering, och maximera elektronflödet via (elektronöverföring), " säger Guangsai Yang. "Detta är ursprunget till den rekordhöga termoelektriska effektiviteten i våra material."

Resultatet är rekordhög konverteringseffektivitet på 11,3 %, vilket är 60 % bättre än kommersiellt tillgängliga material framställda med zonsmältningsmetoden.

Förutom att vara de mest framgångsrika kommersiellt tillgängliga termoelektriska materialen, vismuttelluridbaserade material är också typiska topologiska isolatorer.

Ultrahög termoelektrisk prestanda i bulk BiSbTe/Amorphous Boron Composites with Nano-Defect Architectures publicerades i Avancerade energimaterial i september 2020.