Termoelektrisk permanent magnet åbner nye muligheder inden for termiske styringsteknologier

Et forskerhold har påvist, at den tværgående termoelektriske omdannelse (dvs. energiomdannelse mellem ladnings- og varmestrømme, der strømmer ortogonalt i forhold til hinanden) kan forbedres meget ved at anvende magnetiske felter eller bruge magnetisme.

Derudover udviklede holdet en termoelektrisk permanent magnet - et nyt funktionelt materiale, der er i stand til termoelektrisk køling og strømproduktion - ved at kombinere permanente magneter og termoelektriske materialer i en hybridstruktur. Disse resultater kan tjene som en guide til at opnå termisk styring og energihøst ved hjælp af almindelige magneter.

Seebeck-effekten og Peltier-effekten er blevet grundigt undersøgt for deres anvendelse på termoelektriske konverteringsteknologier (TEC). Disse effekter er klassificeret som langsgående TEC-fænomener - omdannelse mellem ladnings- og varmestrømme, der flyder parallelt med hinanden.

Selvom langsgående TEC-enheder har højere energikonverteringseffektivitet end deres tværgående modstykker, er deres strukturer mere komplekse. Derimod kan strukturelt simplere tværgående TEC-enheder have lave energitab, lave produktionsomkostninger og fremragende holdbarhed.

For at opnå den praktiske anvendelse af tværgående TEC-enheder skal deres konverteringseffektivitet imidlertid forbedres. Tværgående TEC er drevet af forskellige typer fysiske fænomener:magnetisk inducerede fænomener (dvs. den magneto-termoelektriske effekt) og fænomener, der tilskrives anisotrope krystallinske eller elektroniske strukturer. Disse fænomener var tidligere kun blevet forsket uafhængigt af hinanden.

Dette forskerhold fra National Institute for Materials Science (NIMS) fremstillede for nylig et kunstigt vippet flerlagsmateriale - et hybridmateriale, der samtidigt kan udvise tre forskellige typer TEC-fænomener, herunder de magneto-termoelektriske effekter. Holdet demonstrerede derefter den forbedrede køleydelse af dette materiale på grund af den tværgående TEC.

Hybridmaterialet blev skabt ved skiftevis at stable og binde Bi₈₈ Sb₁₂ legeringsplader, som udviser store magneto-termoelektriske effekter, og Bi_0,2 Sb_1.8 Te₃ legeringsplader, som udviser en stor Peltier-effekt.

Denne stak blev derefter skåret diagonalt for at danne det kunstigt flisebelagte flerlagsmateriale. Når magnetiske felter blev påført dette materiale, steg dets tværgående TEC-effektivitet, hvilket viste sig at kunne tilskrives de kombinerede virkninger af de tre typer TEC-fænomener.

Holdet erstattede derefter Bi_0.2 Sb_1.8 Te₃ legeringsplader med permanente magneter og fandt ud af, at den tværgående TEC-ydelse kan forbedres af de magneto-termoelektriske effekter selv uden eksterne magnetfelter.

Denne forskning viste, hvordan magnetiske materialer kan designes til at øge deres termoelektriske afkølings- og strømproduktionsevner. Holdet vil udvikle materialer/enheder med bedre termisk styring og energiindsamlingskapacitet til et bæredygtigt samfund og forbedrede IoT-systemer i fremtidig forskning.

Denne forskning er publiceret i tidsskriftet Advanced Energy Materials .

Flere oplysninger: Ken‐ichi Uchida et al., Hybrid Transversal Magneto‐Thermoelectric Cooling in Artificially Tilted Multilayers, Avancerede energimaterialer (2023). DOI:10.1002/aenm.202302375

Journaloplysninger: Avancerede energimaterialer

Leveret af National Institute for Materials Science