Dem National Institute for Materials Science (NIMS) ist es gelungen, einen neuen Ansatz für das Design thermoelektrischer Materialien zu entwickeln, indem es eine Datenbank elektronischer Strukturparameter erstellt hat, die mit den thermoelektrischen Umwandlungseigenschaften der Materialien korreliert sind, und durch eine umfassende Analyse der Datenbank. Dieser Ansatz kann verwendet werden, um thermoelektrische Materialien mit höherer Leistung zu entwickeln.
Die thermoelektrische Umwandlung ist ein praktikables Mittel zur Energiegewinnung, um eine kohlenstoffarme Wirtschaft zu erreichen und IoT-Geräte mit Strom zu versorgen – eine Schlüsseltechnologie für die digitale Transformation. Für diese Zwecke müssen effizientere thermoelektrische Materialien entwickelt werden. Die thermoelektrische Umwandlung ist ein seit langem bekanntes physikalisches Phänomen: In einem festen Material mit einem Temperaturgradienten darüber wird Strom erzeugt.
Es wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, um hocheffiziente thermoelektrische Materialien zu entdecken. Der herkömmliche Ansatz zur Entwicklung thermoelektrischer Hochleistungsmaterialien bestand darin, die elektronischen Strukturen von Materialien zu analysieren, die eine hocheffiziente thermoelektrische Umwandlung aufweisen, und die dafür verantwortlichen Mechanismen zu untersuchen. Diese Studien haben sich bisher auf die Mechanismen einzelner Materialien konzentriert, anstatt zu versuchen, Gemeinsamkeiten zwischen ihnen zu finden. Diese Forschungsgruppe entdeckte elektronische Struktureigenschaften, die thermoelektrischen Hochleistungsmaterialien gemeinsam sind, und entwickelte erfolgreich einen vielseitigen Materialdesignansatz.
Die Forschungsgruppe erstellte zunächst eine Datenbank mit zwei elektronischen Strukturparametern, von denen bekannt ist, dass sie mit den thermoelektrischen Umwandlungseigenschaften von Materialien korrelieren: Ladungsübertragungsenergie (Δ) und Coulomb-Abstoßungsenergie vor Ort (U). Es wurden Daten von verschiedenen Materialien gesammelt, die Übergangsmetallionen enthalten – eine Materialgruppe, in der in der Vergangenheit vielversprechende thermoelektrische Materialien gefunden wurden. Anschließend wurden mithilfe dieser Datenbank mehrere Materialien gleichzeitig analysiert, wodurch die Beziehung zwischen verschiedenen chemischen Elementen und den Parametern aufgezeigt wurde. Schließlich wendete die Gruppe diese Beziehungen auf thermoelektrische Materialien an und entdeckte, dass Materialien mit wünschenswerten thermoelektrischen Umwandlungseigenschaften in bestimmten Bereichen entlang der aufgetragenen Δ- und U-Werte vorkommen.
Diese Ergebnisse stellen einen neuen Ansatz für die Entwicklung thermoelektrischer Hochleistungsmaterialien dar. Darüber hinaus wird erwartet, dass die in diesem Projekt entwickelte Datenbank neben thermoelektrischen Materialien auch für die Erforschung einer breiten Palette von Materialien (z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Katalysatoren, Supraleiter und magnetische und ionenleitende Materialien) nützlich sein wird.
Isao Ohkubo et al, Rational Design of 3d Transition-Metal Compounds for Thermoelectric Properties by Using Periodic Trends in Electron-Correlation Modulation, Zeitschrift der American Chemical Society (2022). DOI: 10.1021/jacs.1c12520