Nyt lavpris termoelektrisk materiale fungerer ved stuetemperatur

Har dit rat været for varmt til at røre ved i sommer? Et nyt termoelektrisk materiale rapporteret i tidsskriftet Videnskab kunne give lindring.

Den udbredte anvendelse af termoelektriske enheder, der direkte kan omdanne elektricitet til termisk energi til afkøling og opvarmning, er blevet hindret, delvis, ved manglen på materialer, der både er billige og yderst effektive ved stuetemperatur.

Nu har forskere fra University of Houston og Massachusetts Institute of Technology rapporteret opdagelsen af ​​et nyt materiale, der fungerer effektivt ved stuetemperatur, mens det næsten ikke kræver noget dyrt tellur, en vigtig bestanddel af det nuværende topmoderne materiale.

Arbejdet, beskrevet i et papir udgivet online af Videnskab Torsdag, 18. juli, har potentielle applikationer til at opbevare elektroniske enheder, køretøjer og andre komponenter fra overophedning, sagde Zhifeng Ren, tilsvarende forfatter om arbejdet og direktør for Texas Center for Superconductivity ved UH, hvor han også er M.D. Anderson professor i fysik.

"Vi har produceret et nyt materiale, som er billig, men stadig fungerer næsten lige så godt som den traditionelle, dyrere materiale, " sagde Ren. Forskerne siger, at fremtidigt arbejde kan lukke det lille ydeevnegab mellem deres nye materiale og det traditionelle materiale, en vismut-tellurbaseret legering.

Termoelektriske materialer virker ved at udnytte strømmen af ​​varmestrøm fra et varmere område til et køligere område, og termoelektriske kølemoduler fungerer i henhold til Peltier-effekten, som beskriver overførslen af ​​varme mellem to elektriske forbindelser.

Termoelektriske materialer kan også bruges til at vende spildvarme fra kraftværker, biludstødningsrør og andre kilder - til elektricitet, og en række nye materialer er blevet rapporteret til den applikation, hvilket kræver, at materialer yder ved langt højere temperaturer.

Termoelektriske kølemoduler har været en stor udfordring, fordi de skal arbejde ved køligere temperaturer, hvor den termoelektriske fortjeneste, eller ZT, er lav, fordi den er afhængig af temperaturen. Fortjenestetallet er en metrik, der bruges til at bestemme, hvor effektivt et termoelektrisk materiale fungerer.

På trods af udfordringen, termoelektriske kølemoduler også, i det mindste for nu, tilbyde mere kommercielt potentiale, dels fordi de kan fungere i en lang levetid ved køligere temperaturer; termoelektrisk elproduktion er kompliceret af spørgsmål relateret til de høje temperaturer, den fungerer ved, herunder oxidation og termisk ustabilitet.

Markedet for termoelektrisk køling er i vækst. "Det globale marked for termoelektriske moduler var værd ~0,6 milliarder amerikanske dollars i 2018, og det forventes at nå op på ~1,7 milliarder amerikanske dollars i 2027, " skrev forskerne.

Bismuth-tellur legeringer er blevet betragtet som det bedst ydende materiale til termisk køling i årtier, men forskerne sagde, at de høje omkostninger ved tellur har begrænset udbredt brug. juni Mao, en post-doc forsker ved UH og førsteforfatter på papiret, sagde, at omkostningerne for nylig er faldet, men forbliver omkring $ 50/kilo. Det kan sammenlignes med omkring $ 6/kg for magnesium, en primær komponent i det nye materiale.

Ud over Ren og Mao, yderligere forfattere på papiret inkluderer Hangtian Zhu, Zihang Liu og Geethal Amila Gamage, hele UH Institut for Fysik og TcSUH, og Zhiwei Ding og Gang Chen fra Institut for Maskinteknik ved Massachusetts Institute of Technology.

De rapporterede, at det nye materiale, bestående af magnesium og vismut og skabt i en form, der bærer en negativ ladning, kendt som n-type, var næsten lige så effektivt som det traditionelle vismut-tellur materiale. At, kombineret med lavere omkostninger, bør udvide brugen af ​​termoelektriske moduler til køling, de sagde.

For at producere et termoelektrisk modul ved hjælp af det nye materiale, forskere kombinerede det med en positiv ladning, eller p-type, version af den traditionelle vismut-tellur legering. Mao sagde, at det tillod dem at bruge kun halvt så meget tellur som de fleste nuværende moduler.

Fordi omkostningerne ved materialer tegner sig for omkring en tredjedel af enhedens omkostninger, at besparelser stiger, han sagde.

Det nye materiale opretholder også bedre elektrisk kontakt end de fleste nanostrukturerede materialer, rapporterede forskerne.