Ein Team koreanischer Forscher hat ein thermoelektrisches Material entwickelt, das in tragbaren Geräten wie intelligenter Kleidung verwendet werden kann und auch in extremen Umgebungen eine stabile Wärmeenergieleistung aufrechterhält. Es hat das Dilemma, das Gleichgewicht zwischen der Erzielung guter Leistung und der mechanischen Flexibilität thermoelektrischer Materialien zu finden, was auf dem Gebiet der thermoelektrischen Materialien seit langem eine Herausforderung darstellt, dramatisch gelöst und außerdem die Möglichkeit einer Kommerzialisierung bewiesen.
Das gemeinsame Forschungsteam von Professor Yeon Sik Jung vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und Professor Inkyu Park vom Fachbereich Maschinenbau in Zusammenarbeit mit den Forschungsteams von Professor Min-Wook Oh von der Hanbat National University und Dr. Jun-Ho Jeong vom Korea Institute of Machinery and Materials hat erfolgreich thermoelektrische Fasern aus Wismuttellurid (Bi2Te3) entwickelt, eine innovative Energiegewinnungslösung für flexible elektronische Geräte der nächsten Generation.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Fortschrittliche Materialien.
Thermoelektrische Materialien sind Materialien, die bei einem Temperaturunterschied Spannung erzeugen und thermische Energie in elektrische Energie umwandeln. Derzeit sind etwa 70 % der verlorenen Energie Abwärme. Daher wird der Forschung an nachhaltigen Energiematerialien Aufmerksamkeit geschenkt, die aus dieser Abwärme Energie zurückgewinnen und gewinnen können.
Die meisten Wärmequellen um uns herum sind gekrümmt, beispielsweise der menschliche Körper, Auspuffrohre von Fahrzeugen und Kühlrippen. Anorganische thermoelektrische Materialien auf Basis keramischer Materialien zeichnen sich durch eine hohe thermoelektrische Leistung aus, sind jedoch fragil und schwierig in gebogenen Formen herzustellen. Mittlerweile können flexible thermoelektrische Materialien, die vorhandene Polymerbindemittel verwenden, auf Oberflächen unterschiedlicher Form aufgetragen werden, ihre Leistung ist jedoch aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit und des hohen Wärmewiderstands des Polymers begrenzt.
Bestehende flexible thermoelektrische Materialien enthalten Polymerzusätze, aber das vom Forschungsteam entwickelte anorganische thermoelektrische Material ist nicht flexibel. Daher überwanden sie diese Einschränkungen, indem sie Nanobänder anstelle von Zusätzen verdrehten, um ein fadenförmiges thermoelektrisches Material herzustellen.
Inspiriert von der Flexibilität anorganischer Nanobänder nutzte das Forschungsteam eine auf Nanoformen basierende Elektronenstrahl-Abscheidungstechnik, um Nanobänder kontinuierlich abzuscheiden und sie dann in eine Fadenform zu verdrehen, um anorganische thermoelektrische Wismuttellurid-Fasern (Bi2Te3) zu erzeugen.
Diese anorganischen thermoelektrischen Fasern haben eine höhere Biegefestigkeit als bestehende thermoelektrische Materialien und zeigten selbst nach mehr als 1.000 wiederholten Biege- und Zugtests nahezu keine Veränderung der elektrischen Eigenschaften. Das vom Forschungsteam entwickelte thermoelektrische Gerät erzeugt Strom mithilfe von Temperaturunterschieden. Wenn Kleidung mit thermoelektrischen Geräten vom Fasertyp hergestellt wird, kann aus der Körpertemperatur Strom erzeugt werden, um andere elektronische Geräte zu betreiben.
Tatsächlich wurde die Möglichkeit einer Kommerzialisierung durch die Demonstration der Energiegewinnung durch Einbettung thermoelektrischer Fasern in Schwimmwesten oder Kleidung nachgewiesen. Darüber hinaus eröffnete es die Möglichkeit, ein hocheffizientes Energiegewinnungssystem zu bauen, das Abwärme recycelt, indem es den Temperaturunterschied zwischen der heißen Flüssigkeit in einem Rohr und der kalten Luft draußen in Industrieumgebungen nutzt.
Professor Yeon Sik Jung sagte: „Das in dieser Studie entwickelte anorganische flexible thermoelektrische Material kann in tragbaren Geräten wie intelligenter Kleidung verwendet werden und kann auch in extremen Umgebungen eine stabile Leistung aufrechterhalten, sodass es durch zusätzliche Forschung mit hoher Wahrscheinlichkeit kommerzialisiert werden kann.“ in der Zukunft.“
Professor Inkyu Park fügte hinzu: „Diese Technologie wird zum Kern der Energiegewinnungstechnologie der nächsten Generation werden und wird voraussichtlich in verschiedenen Bereichen eine wichtige Rolle spielen, von der Abwärmenutzung in Industriestandorten bis hin zu tragbaren Geräten zur Eigenstromerzeugung.“
Weitere Informationen:
Hanhwi Jang et al., Flexible rein anorganische thermoelektrische Garne, Fortschrittliche Materialien (2024). DOI: 10.1002/adma.202408320