Abwärme ist eine vielversprechende Quelle für Energieeinsparung und Wiederverwendung, indem diese Wärme in Strom umgewandelt wird – ein Prozess, der als thermoelektrische Umwandlung bezeichnet wird. Kommerziell erhältliche thermoelektrische Umwandlungsvorrichtungen werden unter Verwendung seltener Metalle synthetisiert. Obwohl diese ziemlich effizient sind, sind sie teuer und verwenden in den meisten Fällen giftige Materialien. Diese beiden Faktoren haben dazu geführt, dass diese Konverter nur begrenzt verwendbar sind. Eine der Alternativen sind thermoelektrische Materialien auf Oxidbasis, aber der Hauptnachteil, unter dem diese leiden, ist ein Mangel an Beweisen für ihre Stabilität bei hohen Temperaturen.
Ein Team unter der Leitung von Professor Hiromichi Ohta vom Research Institute for Electronic Science der Universität Hokkaido hat einen thermoelektrischen Konverter aus Barium-Kobalt-Oxid synthetisiert, der bei Temperaturen von bis zu 600 °C reproduzierbar stabil und effizient ist. Die Ergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen.
Die thermoelektrische Umwandlung wird durch den Seebeck-Effekt angetrieben: Bei einem Temperaturunterschied über einem leitenden Material wird ein elektrischer Strom erzeugt. Die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung hängt jedoch von einer Zahl ab, die als thermoelektrische Gütezahl ZT bezeichnet wird. In der Vergangenheit hatten Konverter auf Oxidbasis eine niedrige ZT, aber neuere Forschungen haben viele Kandidaten mit einer hohen ZT ergeben, aber ihre Stabilität bei hohen Temperaturen war nicht gut dokumentiert.
Die Gruppe von Hiromichi Ohta arbeitet seit über zwei Jahrzehnten an geschichteten Kobaltoxidfilmen. In dieser Studie versuchte das Team, die thermische und chemische Stabilität dieser Filme zu untersuchen und ihre ZT-Werte bei hohen Temperaturen zu messen. Sie testeten Kobaltoxidfilme, die mit Natrium, Kalzium, Strontium oder Barium beschichtet waren, und analysierten ihre Struktur, ihren spezifischen Widerstand und ihre Wärmeleitfähigkeit.
Sie fanden heraus, dass von den vier Varianten der geschichtete Film aus Barium-Kobalt-Oxid seine Stabilität in Bezug auf strukturelle Integrität und elektrischen Widerstand bei Temperaturen von bis zu 600 °C beibehielt. Im Vergleich dazu waren die Natrium- und Calciumcobaltoxidfilme nur bis 350°C stabil, und der Strontiumcobaltoxidfilm war bis 450°C stabil. Die ZT des Bariumkobaltoxidfilms stieg mit der Temperatur und erreichte ~0,55 bei 600 °C, vergleichbar mit einigen im Handel erhältlichen thermoelektrischen Konvertern.
„Unsere Studie hat gezeigt, dass Filme aus Barium-Kobalt-Oxid hervorragende Kandidaten für thermoelektrische Hochtemperatur-Umwandlungsgeräte wären“, sagte Hiromichi Ohta. „Außerdem sind sie umweltfreundlich und bieten Potenzial für einen breiten Einsatz.“
Xi Zhang et al, Ba1/3CoO2: Ein thermoelektrisches Oxid mit einem zuverlässigen ZT von ~0,55 bei 600 °C in Luft, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c08555