Termoelektrisk gennembrud omdanner varme til strøm for smarte enheder

En nylig undersøgelse¹ af Dr. Fabian Garmroudi og et team af internationale forskere åbner døren for en af de mest betydningsfulde fremskridt inden for termoelektrisk teknologi i årtier. Artiklen dykker ned i teamets undersøgelse af forskellige materialer og hvordan den førte til en vellykket forbedring af termisk og elektrisk frakobling. Her er, hvad du behøver at vide.

Hvordan termoelektriske materialer overfører varme

Termoelektrik er unikke sammenlignet med andre former for stof. I traditionel forstand overføres varmeenergi via mobile ladningsbærere og ved vibrationer af atomerne i krystallattice. Sidstnævnte refererer til, når atomer vibrerer mod hinanden med samme faseforhold.
Især kaldes materialer, der kan overføre varme hurtigt, ledere. Metal er et fremragende eksempel på en varmeleder. Hvis du opvarmer en metalstang og placerer den ved siden af et andet stykke metal, vil de ladede atomer og latticevibrationer hurtigt overføre en del af energien til det andet stykke. Især er rent diamant det materiale, der har den højeste termiske ledningsevne.

Hvad er termoelektriske materialer, og hvordan fungerer de?

Termoelektriske materialer adskiller sig fra traditionelle materialer ved, at de er gode til at lede elektricitet, men dårlige til at lede varme. Da disse materialer er dårlige til at overføre varmeenergi, fungerer de som den perfekte termiske isolator.
Den primære måde, hvorpå termoelektrisk materiale opnår dette, er ved at forsøge at frakoble ladnings- og varmetransport. I dag spiller disse materialer en vigtig rolle i avanceret elektronik, køling og industrielle anvendelser.

Historien om termoelektrisk teknologi: Fra Seebeck til i dag

Rejsen mod superhurtig køling, frysning og avanceret elektronik har mange udgangspunkter. I 1821 gjorde Thomas Johann Seebeck en overraskende opdagelse. Han bemærkede, at visse metaller genererer en elektrisk strøm, når de har temperaturforskel og bringes tæt på hinanden.
Denne opdagelse førte til, at Jean Charles Athanase Peltier demonstrerede, at denne effekt kunne resultere i både opvarmning og køling afhængigt af opsætningen. Denne åbenbaring åbnede døren for nutidens avancerede termoelektriske materialer og fremstillingsprocesser.

Moderne termoelektriske materialer: Nuværende industristandard

Dagens mest anvendte termoelektriske materiale er et gråt pulver kaldet bismuttellurid, Bi2Te3. Denne kemikalie blev fremstillet i 1950’erne og har været industristandard i de sidste +70 år. I dag er Bi2Te3-baserede systemer den eneste kommercielt tilgængelige mulighed.

Udfordringer for termoelektriske materialer i dag

Dette scenarie har ført til nogle forsinkelser i innovationerne. For det første er tellur er et sjældent mineral, der er svært og dyrt at skaffe. Derudover er disse materialer skrøbelige. Deres sprøde natur kan resultere i let beskadigede komponenter.

Hvordan termoelektriske materialer fremstilles: Produktionsudfordringer

En anden stor ulempe ved denne tilgang er, at den er dyr. De avancerede metoder, der kræves for at designe og fremstille termoelektriske materialer med ekstremt lav termisk ledningsevne, udgør fortsat en hindring for yderligere udbredelse.

Løsning af det elektriske overførselsproblem i termoelektrik

Et af de største problemer var, at alle tidligere forsøg, der involverede hæmning af latticedrevet varmetransport, reducerede bærerens mobilitet. Som følge heraf var indsatsen forgæves indtil for nylig. Nu mener et team af kreative forskere, at de har låst op for nøglen til at undertrykke latticevibrationer uden at reducere elektrisk overførsel.

Gennembrudsundersøgelse i termoelektrik: Frakobling af varme og ladning

Den “Frakoblet ladnings- og varmetransport i Fe2VAl kompositte termoelektrik med topologisk‑isolerende korngrænse‑netværk” undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications, introducerer hybride materialer, en ny fremstillingsproces og et revolutionerende design for at opnå termisk og elektrisk frakobling.
The team took a different approach than their predecessors in that they sought to integrate chemically and structurally distinct Bi1−xSbx as a secondary phase between Heusler grains. The process utilizes a process called liquid-phase sintering to integrate the archetypal topological insulator Bi1−xSbx between Fe2V0.95Ta0.1Al0.95 grains.

Kilde – Nature Communications