Thermoelektrik

Cobaltate mit Schichtstruktur als niederdimensional leitfähige Thermoelektrika



Cobaltate mit unterschiedlich hohen Auflösungen aufgenommen
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Cobaltate mit unterschiedlich hohen Auflösungen aufgenommen
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Cobaltate mit unterschiedlich hohen Auflösungen aufgenommen
Mit DFG-Förderung (KA 664/10) werden thermoelektrische Cobaltate untersucht, eine neuartige oxidische Substanzklasse mit Schichtstruktur, die ungewöhnliche Eigenschaften des Ladungs- und Wärmetransports basierend auf einem Transport von Spinentropie mit den Ladungsträgern aufweist. Oxidische Funktionsmaterialien mit Schicht- bzw. Perowskitstruktur (NaxCoO2, Ca2Co2O5, weitere Cobaltate sowie Titanate) besitzen sehr hohe Seebeck-Koeffizienten mit untypischem Temperaturverlauf (Linkskrümmung in einem mehrere hundert K weiten Temperaturbereich), der eine ideale Linearisierung für thermische Sensoren durch das Prinzip der Funktionsgradierung erreichbar macht. Diese Materialien sind für langzeitstabile Sensoren ebenso wie für thermoelektrische Generatoren prädestiniert, die unter oxidierender Atmosphäre eingesetzt werden sollen.

Na- und Ca-Cobaltate mit hoher thermoelektrischer Effektivität und langzeitstabilen Funktionseigenschaften sollen für einen Einsatz bis ca. 800 °C entwickelt werden. Ihre temperaturabhängigen Eigenschaften werden zusammensetzungs- und prozessgesteuert variiert. Spitzenwerte der Gütezahl dieser Verbindungsklasse liegen in bestimmten Temperaturbereichen über den besten heute verfügbaren Materialien.

NaxCoO2 und Ca2Co2O5 sowie verwandte Verbindungen wurden am DLR synthetisiert und die Präparationsbedingungen für eine Leistungsoptimierung des Materials modifiziert. Ziel der Charakterisierung der Syntheseprodukte mittels XRD, REM, DTA/TG, DSC sowie Bestimmung der thermoelektrischen Eigenschaften ist die Beurteilung der Materialzusammensetzungen und Dotierungen hinsichtlich einer Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften.

Die Anwendungseigenschaften von NaxCoO2 werden stark von den Präparationsbedingungen sowie der Temperatur und Atmosphäre der thermischen Nachbehandlung beeinflusst. Entscheidende Faktoren sind vor allem die Phasenzusammensetzung und der Na-Gehalt x. Das System reagiert empfindlich auf Änderungen der Zusammensetzung, bei denen NaxCoO2 auf der Na-Position besetzungsvariiert bzw. auf der Co-Position partiell substituiert wird.

Neben der Synthese sind die strukturelle Charakterisierung und Stabilität von NaxCoO2 Schwerpunkte der Arbeiten. In Synchrotronbeugungsexperimenten wurde eine bisher unbekannte 2a-Überstruktur in der Anordnung der Na-Atome in -NaxCoO2 identifiziert. Als kompositionell determinierter Alterungsprozess wurde die Umwandlung von -NaxCoO2 (hexagonal) unter reduziertem Sauerstoff-Partialdruck via '-NaxCoO2 (monoklin) zu -NaxCoO2 (rhomboedrisch) nachgewiesen.

Aufgrund des variierenden Na-Gehalts und der damit variierenden Oxidationsstufe von Co besitzen die Modifikationen stark unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften, wobei sich -NaxCoO2 als die bisher aussichtsreichste Cobaltat-Phase für die thermoelektrische Energieumwandlung darstellt.



Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Wolf Eckhard Müller
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Thermoelektrische Materialien und Systeme
Tel: +49 2203 601-3556

Fax: +49 2203 696480

E-Mail: Eckhard.Mueller@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-1696/3089_read-4911/