Ein Forschungsteam hat gezeigt, dass die transversale thermoelektrische Umwandlung (d. h. die Energieumwandlung zwischen Ladungs- und Wärmeströmen, die orthogonal zueinander fließen) durch die Anwendung von Magnetfeldern oder die Nutzung von Magnetismus erheblich verbessert werden kann.
Darüber hinaus entwickelte das Team einen thermoelektrischen Permanentmagneten – ein neues Funktionsmaterial, das thermoelektrische Kühlung und Stromerzeugung ermöglicht –, indem es Permanentmagnete und thermoelektrische Materialien zu einer Hybridstruktur kombinierte. Diese Ergebnisse können als Leitfaden für die Erzielung von Wärmemanagement und Energiegewinnung mit herkömmlichen Magneten dienen.
Der Seebeck-Effekt und der Peltier-Effekt wurden umfassend im Hinblick auf ihre Anwendung auf thermoelektrische Umwandlungstechnologien (TEC) untersucht. Diese Effekte werden als longitudinale TEC-Phänomene klassifiziert – die Umwandlung zwischen Ladungs- und Wärmeströmen, die parallel zueinander fließen.
Obwohl longitudinale TEC-Geräte eine höhere Energieumwandlungseffizienz aufweisen als ihre transversalen Gegenstücke, sind ihre Strukturen komplexer. Im Gegensatz dazu können strukturell einfachere transversale TEC-Geräte geringe Energieverluste, niedrige Herstellungskosten und eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweisen.
Um den praktischen Einsatz transversaler TEC-Geräte zu erreichen, muss jedoch ihre Umwandlungseffizienz verbessert werden. Transverse TEC wird durch verschiedene Arten physikalischer Phänomene angetrieben: magnetisch induzierte Phänomene (dh der magnetothermoelektrische Effekt) und Phänomene, die anisotropen kristallinen oder elektronischen Strukturen zugeschrieben werden. Bisher wurden diese Phänomene nur unabhängig voneinander erforscht.
Dieses Forschungsteam des National Institute for Materials Science (NIMS) hat kürzlich ein künstlich geneigtes mehrschichtiges Material hergestellt – ein Hybridmaterial, das gleichzeitig drei verschiedene Arten von TEC-Phänomenen zeigen kann, einschließlich der magnetothermoelektrischen Effekte. Anschließend demonstrierte das Team die verbesserte Kühlleistung dieses Materials aufgrund des transversalen TEC.
Das Hybridmaterial wurde durch abwechselndes Stapeln und Verbinden von Bi88Sb12-Legierungsplatten, die große magnetothermoelektrische Effekte aufweisen, und Bi0,2Sb1,8Te3-Legierungsplatten, die einen großen Peltier-Effekt aufweisen, erzeugt.
Dieser Stapel wurde dann diagonal geschnitten, um das künstlich geflieste mehrschichtige Material zu bilden. Wenn an dieses Material Magnetfelder angelegt wurden, erhöhte sich seine transversale TEC-Effizienz, was, wie sich herausstellte, auf die kombinierten Effekte der drei Arten von TEC-Phänomenen zurückzuführen ist.
Anschließend ersetzte das Team die Bi0,2Sb1,8Te3-Legierungsplatten durch Permanentmagnete und stellte fest, dass die transversale TEC-Leistung durch die magnetothermoelektrischen Effekte auch ohne externe Magnetfelder verbessert werden kann.
Diese Forschung zeigte, wie magnetische Materialien so gestaltet werden können, dass ihre thermoelektrischen Kühl- und Stromerzeugungsfähigkeiten verbessert werden. Das Team wird in der zukünftigen Forschung Materialien/Geräte mit besserem Wärmemanagement und besseren Energiegewinnungsfähigkeiten für eine nachhaltige Gesellschaft und verbesserte IoT-Systeme entwickeln.
Diese Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Fortschrittliche Energiematerialien.
Mehr Informationen:
Ken-ichi Uchida et al., Hybride transversale magneto-thermoelektrische Kühlung in künstlich geneigten Multischichten, Fortschrittliche Energiematerialien (2023). DOI: 10.1002/aenm.202302375