En forskargrupp har visat att den transversella termoelektriska omvandlingen (dvs energiomvandling mellan laddning och värmeströmmar som flyter ortogonalt mot varandra) kan förbättras avsevärt genom att applicera magnetiska fält eller använda magnetism.
Dessutom utvecklade teamet en termoelektrisk permanentmagnet - ett nytt funktionellt material som kan termoelektrisk kylning och kraftgenerering - genom att kombinera permanentmagneter och termoelektriska material till en hybridstruktur. Dessa resultat kan tjäna som vägledning för att uppnå värmehantering och energiskörd med hjälp av vanliga magneter.
Seebeck-effekten och Peltier-effekten har undersökts omfattande för deras tillämpning på termoelektrisk konvertering (TEC) teknologier. Dessa effekter klassificeras som longitudinella TEC-fenomen – omvandling mellan laddnings- och värmeströmmar som flyter parallellt med varandra.
Även om longitudinella TEC-enheter har högre energiomvandlingseffektivitet än sina tvärgående motsvarigheter, är deras strukturer mer komplexa. Däremot kan strukturellt enklare tvärgående TEC-enheter ha låga energiförluster, låga tillverkningskostnader och utmärkt hållbarhet.
För att uppnå den praktiska användningen av tvärgående TEC-anordningar måste deras konverteringseffektivitet förbättras. Tvärgående TEC drivs av olika typer av fysiska fenomen:magnetiskt inducerade fenomen (d.v.s. den magneto-termoelektriska effekten) och fenomen som tillskrivs anisotropa kristallina eller elektroniska strukturer. Dessa fenomen hade tidigare bara forskats oberoende av varandra.
Detta National Institute for Materials Science (NIMS) forskarlag tillverkade nyligen ett artificiellt lutande flerskiktsmaterial - ett hybridmaterial som samtidigt kan uppvisa tre olika typer av TEC-fenomen, inklusive magneto-termoelektriska effekter. Teamet visade sedan den förbättrade kylningsprestanda hos detta material på grund av den tvärgående TEC.
Hybridmaterialet skapades genom att omväxlande stapla och binda Bi88 Sb12 legeringsplattor, som uppvisar stora magneto-termoelektriska effekter, och Bi0,2 Sb1.8 Te3 legeringsplattor, som uppvisar en stor Peltier-effekt.
Denna stapel skars sedan diagonalt för att bilda det artificiellt belagda flerskiktsmaterialet. När magnetfält applicerades på detta material ökade dess tvärgående TEC-effektivitet, vilket visade sig bero på de kombinerade effekterna av de tre typerna av TEC-fenomen.
Teamet ersatte sedan Bi0.2 Sb1.8 Te3 legeringsplattor med permanentmagneter och fann att den tvärgående TEC-prestandan kan förbättras av de magneto-termoelektriska effekterna även utan externa magnetfält.
Denna forskning visade hur magnetiska material kan utformas för att öka deras termoelektriska kylning och kraftgenereringsförmåga. Teamet kommer att utveckla material/enheter med bättre termisk hantering och energiskördningskapacitet för ett hållbart samhälle och förbättrade IoT-system i framtida forskning.
Denna forskning är publicerad i tidskriften Advanced Energy Materials .
Mer information: Ken‐ichi Uchida et al, Hybrid Transversal Magneto-Thermoelectric Cooling in Artificiellt Tilted Multilayer, Avancerade energimaterial (2023). DOI:10.1002/aenm.202302375
Journalinformation: Avancerade energimaterial
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
