Nanostrukturierte CoSb3-Skutterudite : Neue Materialien für die Thermogeneratorik

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2009

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-9588

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Im Jahr 2000 wurde das EU-Forschungsprojekt NanoThermEl im 5. Rahmenprogramm mit der Zielstellung gestartet, durch neuartige Präparationsmethoden verschiedener Materialgrup-pen unter Verwendung von Nanotechnologien die thermoelektrische Effizienz dieser Materia-lien zu verbessern. Der Verringerung der thermischen Leitfähigkeit durch strukturelle Modifikationen galt dabei das besondere Interesse.Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Präparation und Charakterisierung von na-nostrukturierten CoSb3-basierten Skutteruditen, die im Rahmen von NanoThermEl entwi-ckelt wurden. Der Zusammenwirkung zwischen theoretischer Modellierung einerseits und experimenteller Präparation sowie struktureller und funktioneller Charakterisierung andererseits kam hierbei besondere Bedeutung zu, benötigen doch die theoretischen Modelle experi-mentelle Messdaten, um darauf aufbauend Aussagen über optimale Dotierungskonzentrationen und Korngrenzendichten machen zu können.In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass der Ansatz der Nanostrukturierung zur Effizienzsteigerung von ungefüllten Skutterudit-Materialien prinzipiell funktioniert, da die Gitterwärmeleitfähigkeit des ungefüllten und undotierten Materials im Vergleich zu schmelztechnisch hergestellten Skutteruditen signifikant reduziert werden konnte. Die gleichzeitig auftretende Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit wurde durch Substitution der Co-Atome durch Nickel bzw. der Sb-Atome durch Tellur kompensiert und ermöglichte durch Kombination beider Substitutionen die höchsten bis dahin gemessenen ZT-Werte für ungefüllte Skutterudite.An allen untersuchten Proben konnte eine zu höheren Temperaturen verringerte thermische Leitfähigkeit festgestellt werden. Dies zeigt, dass die Wärmeleitung bei niedrigen Temperaturen vornehmlich durch die Phononen erfolgt, da für diese theoretisch eine 1/T-Abhängigkeit zu erwarten ist. Damit ist die Grundvoraussetzung für eine Verbesserung des Verhältnisses von elektrischer zu thermischer Leitfähigkeit durch die Nanostrukturierung bestätigt, da diese auf die stärkere Beeinflussung der Phononen als der Ladungsträger abzielt.Im Fall der Ni-Dotierung wurden gute Übereinstimmungen der theoretisch modellierten Eigenschaften für Substitutionssysteme mit experimentellen Ergebnissen erzielt. Eine Substitution von Kobalt durch Eisen ist bislang mit der eingesetzten Solvothermalsynthese nicht erfolgreich, sodass auch von einer Doppeldotierung mit Nickel und Eisen abgesehen wurde.Es konnte gezeigt werden, dass die Zusammensetzung des Probenmaterials während der nass-chemischen Präparation und auch während der anschließenden Prozessierung von großer Bedeutung für die thermoelektrischen Eigenschaften des Endproduktes ist. Dies gilt insbesondere für Mehrphasigkeiten des Ausgangsmaterials. Die Tatsache, dass der absichtliche Zusatz von CoSb2 scheinbar zu leicht verbesserten thermoelektrischen Eigenschaften führt und somit eine zu einer positiven Auswirkung auf die Materialeffizienz, zeigt, dass noch Reserven bei der Optimierung des Materialpräparation und -prozessierung bestehen. Weitere Probenserien sind hier notwendig.Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit konnten somit kritische Aspekte der Solvothermalsynthese identifiziert werden. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit bei einer Hochskalierung des Präparationsprozesses. Vorläufige Tests haben bereits zu wesentlichen Verbesserungen geführt.Weiterführende Arbeiten auf diesem Gebiet sind geplant. Dabei steht neben der Phasenreinheit des Ausgangsmaterials die Pulverkompaktierung im Vordergrund. Ziel ist es hierbei, durch den Einsatz von Skutterudit-Keramik-Kompositen das Kornwachstum der Nanopulver während des Heißpressens zu unterdrücken, um die Gitterwärmeleitfähigkeit des Volumenmaterials weiter zu verringern.Der nächste Schritt zur Effizienzsteigerung der nanostrukturierten Skutterudite besteht in der Füllung der Struktur mit Gastatomen, den sog. rattling atoms . Diese Füllung geschieht meist durch diffusiv pulvermetallurgische Verfahren, Aufschmelzen, Schnellerstarren und Wärmebehandlung zur Homogenisierung bei hohen Temperaturen. Im Falle der nanostrukturierten Skutterudite würde ein solches Vorgehen zum Verlust der Nanostrukturierung durch Kornwachstum führen. Aus diesem Grunde muss zur Füllung der Struktur ein vollständig anderer Weg beschritten werden.Die ersten Tests zur Strukturfüllung nach dem Kugelmühlenverfahren haben sich als ungeeignet herausgestellt. Alternativen, um eine verbesserte Feinverteilung des Cers oder anderer Füllelemente im Skutteruditmaterial zu erreichen, sind geplant. Auch sind Experimente zur Einbringung der Gastatome in die Struktur bereits während der solvothermalen Präparation denkbar.

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