DE102017111627A1 - Thermoelektrisches Material und Verfahren zum Erstellen desselben - Google Patents

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Byung Wook KIM
Jong Kook Lee
Han Saem Lee
In Woong Lyo
Jin Woo Kwak
Woo Young Lee
Gwan Sik Kim
Hwi Jong LEE
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Kia Corp
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Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
Industry Academic Cooperation Foundation of Yonsei University
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Abstract

Thermoelektrisches Material und ein Verfahren zum Erstellen desselben, wobei das thermoelektrische Material exzellente thermoelektrische Leistung und gute mechanische Eigenschaften (insbesondere Bruchzähigkeit) hat, und daher, wenn das thermoelektrische Material auf ein thermoelektrisches Modul angewendet wird, das thermoelektrische Modul exzellente Leistung und Effizienz und eine hohe Lebensdauer hat.

Description

  • Querverweis zu bezogener Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2016-0171732 , eingereicht am 15. Dezember 2016, deren gesamter Inhalt für alle Zwecke durch diese Referenz hierin mit einbezogen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Material (z.B. ein Thermoelektrikum) mit verbesserten mechanischen Eigenschaften (z.B. Bruchzähigkeit) und ein Verfahren zum Erstellen desselben.
  • Beschreibung bezogener Technik
  • Eine thermoelektrische Technologie, wie zum Beispiel das direkte Umwandeln thermischer Energie in elektrische Energie oder elektrischer Energie in thermische Energie in einem Festkörperzustand, wurde angewendet auf die thermoelektrische Erzeugung, um thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, und auf thermoelektrisches Kühlen, um elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Wenn ein thermoelektrisches Material, das für thermoelektrische Erzeugung und thermoelektrische Kühlung verwendet wird, bessere thermoelektrische Leistung hat, kann die Leistung eines thermoelektrischen Moduls, welches unter Verwendung dieses Materials hergestellt wurde, verbessert sein.
  • Physikalische Eigenschaften eines thermoelektrischen Materials, die die thermoelektrische Leistung bestimmen, weisen auf eine thermoelektromotorische Kraft V, einen Seebeck-Koeffizienten S, einen Peltier-Koeffizienten Π, einen Thomson-Koeffizienten τ, einen Nernst-Koeffizienten Q, einen Ettingshausen-Koeffizienten P, eine elektrische Leitfähigkeit σ, einen Ausbringungsfaktor PF, eine Gütezahl (bzw. eine Gütemaßzahl) Z, eine dimensionslose Gütezahl (bzw. Gütemaßzahl) ( Z T = s 2 σ κ T
    Figure DE102017111627A1_0001
    (T : absolute Temperatur)), thermische Leitfähigkeit κ, eine Lorenz-Zahl L, einen (spezifischen) elektrischen Widerstand p und dergleichen. Unter diesen physikalischen Eigenschaften ist die dimensionslose Gütezahl (bzw. Gütemaßzahl) ZT eine wichtige physikalische Eigenschaft zum Bestimmen der Energieeffizienz der thermoelektrischen Umwandlung und die Effizienz der Erzeugung und die Effizienz der Erzeugung und Kühlung kann durch das Herstellen eines thermoelektrischen Moduls unter Verwendung eines thermoelektrischen Materials mit einem großen Wert der Gütezahl ( Z = s 2 σ κ )
    Figure DE102017111627A1_0002
    verbessert werden. Das heißt, wenn ein thermoelektrisches Material einen höheren Seebeck-Koeffizienten und elektrische Leitfähigkeit und eine niedrigere thermische Leitfähigkeit hat, hat es bessere thermoelektrische Leistung.
  • Entsprechend praktikabler Temperaturen sind gegenwärtig kommerzialisierte thermoelektrische Materialien klassifiziert als ein Bi-Te-basiertes thermoelektrisches Material für eine Raumtemperaturanwendung, ein Pb-Te-basiertes thermoelektrisches Material und ein Mg-Si-basiertes thermoelektrisches Material für eine Anwendung bei mittleren Temperaturen und ein Fe-Si-basiertes thermoelektrisches Material für eine Hochtemperaturanwendung. Indes werden diese thermoelektrischen Materialien hauptsächlich durch Sintern von Metallpulver erstellt, und daher gibt es eine Einschränkung, ein thermoelektrisches Material mit guten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Insbesondere, da das Mg-Si-basierte thermoelektrische Material in Bezug auf andere thermoelektrische Materialien eine niedrige Bruchzähigkeit hat, kann es einer Stoßbelastung, die beim Prozess eines wiederholten Verwendens eines thermoelektrischen Moduls angewendet wird, nicht standhalten, sondern wird dadurch zerstört, was die Lebensdauer des thermoelektrischen Moduls reduziert.
  • Die in diesem Abschnitt Hintergrund der Erfindung offenbarten Informationen dienen lediglich einer Verbesserung des Verständnisses des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sollten nicht als Bestätigung dafür oder irgendeine Form der Andeutung dahingehend aufgefasst werden, dass diese Informationen den einem Fachmann bereits bekannten Stand der Technik bilden.
  • Erläuterung der Erfindung
  • Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein thermoelektrisches Material mit exzellenter thermoelektrischer Leistung und verbesserter Bruchzähigkeit bereitzustellen.
  • Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein Verfahren zum Erstellen des thermoelektrischen Materials bereitzustellen.
  • Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein thermoelektrisches Element, welches das thermoelektrische Material aufweist, bereitzustellen.
  • Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein thermoelektrisches Modul, welches das thermoelektrische Element aufweist, bereitzustellen.
  • Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein thermoelektrisches Material aufweisen: eine Kristallstruktur, die aus Körnern zusammengesetzt ist, die ein erstes Element und ein zweites Element umfassen, und ein planares Material, das in einer Grenzfläche innerhalb der Kristallstruktur vorliegt.
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Erstellen eines thermoelektrischen Materials aufweisen (a) Mischen eines Pulvers eines (z.B. aus einem) ersten Elements und eines Pulvers eines (z.B. aus einem) zweiten Elements, um gemischtes Pulver zu erhalten, (b) Mischen des gemischten Pulvers und eines planaren Materials, um eine Mischung zu erhalten, und (c) Sintern der Mischung.
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein thermoelektrisches Element, welches das thermoelektrische Material aufweist, bereitgestellt.
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein thermoelektrisches Modul aufweisen: ein oberes isolierendes Substrat, ein unteres isolierendes Substrat, das dem oberen isolierenden Substrat gegenüberliegt, eine obere Elektrode, die an dem oberen isolierenden Substrat gebildet ist, eine untere Elektrode, die an dem unteren isolierenden Substrat gebildet ist, und das thermoelektrische Element, das in Kontakt mit jeder der oberen Elektrode und der unteren Elektrode ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Referenzansicht, die eine Struktur eines thermoelektrischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein thermoelektrisches Modul gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 3, 4 und 5 sind Referenzansichten, die Versuchsbeispiele 1 bis 3 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Es sollte verstanden werden, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale, die die Grundprinzipien der Erfindung erklären, darstellen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hier offenbart sind, z.B. aufweisend die spezifischen Dimensionen, Orientierungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die spezielle beabsichtigte Anwendung und Nutzungsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen über die verschiedenen Figuren der Zeichnung hinweg auf die gleichen oder wesensgleichen Teile der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Im Folgenden wird im Detail Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von der Beispiele in den begleitenden Zeichnungen illustriert und untenstehend beschrieben sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit exemplarischen Ausführungsformen beschrieben wird, wird es verstanden werden, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf diese exemplarischen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil, die Erfindung ist dazu gedacht, nicht nur die exemplarischen Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Abwandlungen und andere Ausführungsformen abzudecken, die innerhalb des von den angehängten Ansprüchen definierten Umfangs liegen.
  • Allgemein wird ein thermoelektrisches Material durch das Sintern eines Rohmaterial-Pulvers erstellt, und daher kann es eine Kristallstruktur haben, umfassend ein Korn, welches gebildet wird, wenn Teilchen des Rohmaterial-Pulvers sich aneinander binden/wachsen (Kristallwachstum) werden. Hierbei weist die Kristallstruktur eine Mehrzahl von Körnern auf und eine Korngrenze befindet sich zwischen der Mehrzahl von Körnern. Wenn eine Stoßwirkung wiederholt auf das thermoelektrische Material, das eine solche Kristallstruktur hat, aufgebracht wird, kann die Korngrenze zwischen Körnern mit einer relativ schwachen Bindungskraft gebrochen werden, um die Bruchzähigkeit des thermoelektrischen Materials zu erniedrigen.
  • Daher wird in der vorliegenden Offenbarung, um die Bruchzähigkeit des thermoelektrischen Materials zu erhöhen, ein planares Material in eine Grenzfläche innerhalb der Kristallstruktur, die größtenteils gebrochen wird (z.B. würde), eingebracht, und dies wird ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
  • Thermoelektrisches Material
  • Bezugnehmend auf 1 weist ein thermoelektrisches Material eine Kristallstruktur 10 und ein planares Material 20 auf.
  • Die Kristallstruktur 10, die das thermoelektrische Material aufweist, weist Körner 11 auf, die ein erstes Element und ein zweites Element umfassen (z.B. aufweisen). Das heißt, die Kristallstruktur 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Kombination einer Mehrzahl von Körnern 11, und das erste Element und das zweite Element sind im Korn 11 beinhaltet. Eine Größe des Korns 11 ist nicht genau eingeschränkt und ein mittlerer Durchmesser (größerer Durchmesser) davon ist von etwa 100 bis 5000 nm (z.B. etwa 100 nm, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350, 1400, 1450, 1500, 1550, 1600, 1650, 1700, 1750, 1800, 1850, 1900, 1950, 2000, 2050, 2100, 2150, 2200, 2250, 2300, 2350, 2400, 2450, 2500, 2550, 2600, 2650, 2700, 2750, 2800, 2850, 2900, 2950, 3000, 3050, 3100, 3150, 3200, 3250, 3300, 3350, 3400, 3450, 3500, 3550, 3600, 3650, 3700, 3750, 3800, 3850, 3900, 3950, 4000, 4050, 4100, 4150, 4200, 4250, 4300, 4350, 4400, 4450, 4500, 4550, 4600, 4650, 4700, 4750, 4800, 4850, 4900, 4950 oder etwa 5000 nm).
  • Das erste Element kann, ohne darauf beschränkt zu sein, eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Bismut (Bi), Cobalt (Co), Blei (Pb), Zink (Zn), Silizium (Si), Aluminium (Al) und Mangan (Mn) sein und ist in manchen Ausführungsformen Mg. Weiter kann das zweite Element, ohne darauf beschränkt zu sein, eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Tellur (Te), Selen (Se), Antimon (Sb) und Germanium (Ge) sein und ist in manchen Ausführungsformen Si.
  • Das planare Material 20, welches das thermoelektrische Material der vorliegenden Offenbarung aufweist, befindet sich in der Grenzfläche innerhalb der Kristallstruktur 10 (z.B. einer Korngrenze 12 zwischen Körnern 11). Hierbei kann das planare Material 20 in einem Zustand vorliegen, in dem es mit der Grenzfläche 12 innerhalb der Kristallstruktur 10 gekoppelt ist.
  • Wenn sich das planare Material 20 in der Grenzfläche 12 innerhalb der Kristallstruktur 10 befindet, in der Brechen größtenteils auftritt, auch wenn lineares Brechen auftritt, kann ein Fortschreiten des Brechens effektiv durch die planare Form verhindert werden und daher kann die vorliegende Offenbarung/Erfindung ein thermoelektrisches Material mit erhöhter Bruchzähigkeit bereitstellen.
  • Ferner, in einem Fall, in dem das planare Material 20, das eine Zusammensetzung hat, die unterschiedlich zu der des Korns 11 ist, sich in der Grenzfläche 12 innerhalb der Kristallstruktur 10 befindet (bzw. dort vorliegt), ist die Häufigkeit von Phononenstreuung erhöht, um dahingehend zu wirken, dass der gesamte thermische Widerstand des thermoelektrischen Materials erhöht wird, wodurch die vorliegende Offenbarung ein thermoelektrisches Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit bereitstellen kann.
  • Eine Dicke des planaren Materials 20 ist vorzugsweise, aber nicht beschränkt darauf, etwa 1 bis 3 nm (z.B. etwa 1 nm, etwa 2 nm oder etwa 3 nm). Ferner sind eine Breite und eine Länge des planaren Materials 20, aber nicht beschränkt darauf, jeweils etwa 150 bis etwa 1000 nm. Ein Seitenverhältnis des planaren Materials 20 kann etwa 100 bis 1000 (z.B. etwa 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000) in Abhängigkeit von dem Dickenbereich und dem Breiten- und Längenbereich sein. Im Detail kann in der vorliegenden Offenbarung ein Seitenverhältnis (L/t) des planaren Materials 20 berechnet werden durch „(ein mittlerer Wert (mittlere Länge L) der Breite und Länge des planaren Materials 20/Dicke (t) des planaren Materials 20)“.
  • Wenn die Dicke, die Breite und die Länge des planaren Materials 20 auf die vorhergehenden Bereiche festgelegt sind, sind die Größen des planaren Materials 20 und des Korns 11 vergleichbar, sodass das planare Material 20 stabil in der Korngrenze zwischen den Körnern 11 (z.B. in der Grenzschicht 12 innerhalb der Kristallstruktur 10) positioniert werden kann und ein Effekt, das Fortschreiten des Brechens zu verhindern, vergrößert werden kann. Falls das planare Material 20 relativ zum Korn 11 zu klein ist, kann das Brechen schwer zu verhindern sein, auch wenn das planare Material 20 in der Grenzschicht 12 positioniert ist, und falls das planare Material 20 relativ zum Korn 11 zu groß ist, kann das planare Material 20 schwierig in der Grenzschicht 12 zu positionieren sein.
  • Hierbei kann das Verhältnis (L/d) des mittleren Wertes (L) der Breite und Länge des planaren Material 20 zum Durchmesser (d) des Korns 11, aber nicht beschränkt darauf, von etwa 0,03 bis 0,5 (z.B. etwa 0,03, 0,04, 0,05, 0,06, 0,07, 0,08, 0,09, 0,10, 0,11, 0,12, 0,13, 0,14, 0,15, 0,16, 0,17, 0,18, 0,19, 0,20, 0,21, 0,22, 0,23, 0,24, 0,25, 0,26, 0,27, 0,28, 0,29, 0,30, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39, 0,40, 0,41, 0,42, 0,43, 0,44, 0,45, 0,46, 0,47, 0,48, 0,49 oder etwa 0,50) sein. Ferner kann das Verhältnis (t/d) der Dicke (t) des planaren Materials 20 zum Durchmesser (d) des Korns 11, aber nicht beschränkt darauf, von etwa 0,0002 bis 0,03 (z.B. etwa 0,0002, 0,0003, 0,0004, 0,0005, 0,0006, 0,0007, 0,0008, 0,0009, 0,001, 0,002, 0,003, 0,004, 0,005, 0,006, 0,007, 0,008, 0,009, 0,01, 0,02 oder etwa 0,03) sein.
  • Der Anteil des planaren Materials 20 kann, aber nicht beschränkt darauf, von etwa 0,1 bis 10 vol% (z.B. etwa 0,1 vol%, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 2, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9, 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1, 4,2, 4,3, 4,4, 4,5, 4,6, 4,7, 4,8, 4,9, 5, 5,1, 5,2, 5,3, 5,4, 5,5, 5,6, 5,7, 5,8, 5,9, 6, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4, 7,5, 7,6, 7,7, 7,8, 7,9, 8, 8,1, 8,2, 8,3, 8,4, 8,5, 8,6, 8,7, 8,8, 8,9, 9, 9,1, 9,2, 9,3, 9,4, 9,5, 9,6, 9,7, 9,8, 9,9 oder etwa 10 vol%) in Bezug auf 100 vol% des thermoelektrischen Materials sein. Falls der Anteil des planaren Materials 20 geringer als 0,1 vol% ist, kann es schwierig sein, einen Effekt des Erhöhens der Bruchzähigkeit des thermoelektrischen Materials zu erhalten, und falls der Anteil des planaren Materials 10 vol% überschreitet, kann die thermoelektrische Leistung des thermoelektrischen Materials schwächer werden.
  • Das planare Material 20 kann Graphen sein. Insbesondere kann das planare Material 20 ein Graphenoxid oder ein reduziertes Graphenoxid sein und in manchen Fällen ist das reduzierte Graphenoxid in den physikalischen Eigenschaften Graphen ähnlicher.
  • Für das thermoelektrische Material gemäß der vorliegenden Offenbarung kann einer oder können mehrere Dopanten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bismut (Bi), Antimon (Sb), Arsen (As), Phosphor (P), Tellur (Te), Selen (Se), Germanium (Ge) und Aluminium (Al) ferner zusammen mit dem ersten Element und dem zweiten Element enthalten sein.
  • Das thermoelektrische Material gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Bi-Te-basiertes, Pb-Te-basiertes, Co-Sbbasiertes, Mg-Si-basiertes, Mn-Si-basiertes, Fe-Si-basiertes Material und dergleichen und in manchen Fällen ein Mg-Si-basiertes Material, das weitere Erhöhung der Bruchzähigkeit erfordert, sein.
  • Verfahren zum Erstellen eines thermoelektrischen Materials
  • Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zum Erstellen des obengenannten thermoelektrischen Materials bereit und Details davon werden nachfolgend beschrieben werden.
  • Erstellung von gemischtem Pulver
  • Ein Pulver eines ersten Elements (z.B. Erstes-Element-Pulver) und ein Pulver eines zweiten Elements (z.B. Zweites-Element-Pulver) werden gemischt, um gemischtes Pulver zu erstellen. Das Erstes-Element-Pulver kann, aber nicht beschränkt darauf, ein Pulver gebildet aus einem oder mehreren Elementen (oder Metall, Halbmetall) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Bismut (Bi), Cobalt (Co), Blei (Pb), Zink (Zn), Silizium (Si), Aluminium (Al) und Mangan (Mn) sein und das Zweites-Element-Pulver kann ein Pulver gebildet aus einem oder mehreren Elementen (oder Metall, Halbmetall) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Tellur (Te), Selen (Se), Antimon (Sb) und Germanium (Ge) sein.
  • Das Erstes-Element-Pulver und das Zweites-Element-Pulver können durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren gemischt werden. Im Einzelnen kann gemischtes Pulver mit einem Teilchendurchmesser von 50 µm oder weniger durch Kugelmahlen erstellt werden.
  • Erstellen einer Mischung
  • Das gemischte Pulver und ein planares Material werden gemischt, um eine Mischung zu erstellen. Das planare Material ist dasselbe wie das oben im Teil „Thermoelektrisches Material“ beschriebene.
  • Der Anteil des planaren Materials ist, aber nicht beschränkt darauf, etwa 0,1 bis 10 vol% in Bezug auf 100 vol% des thermoelektrischen Materials unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des thermoelektrischen Materials.
  • Das gemischte Pulver und das planare Material können in einer trocknen Weise und, in manchen Fällen, in einer nassen Weise durch das Hinzufügen eines organischen Lösemittels gemischt werden. Das Hinzufügen des organischen Lösemittels kann Oxidation und Kontamination des planaren Materials verhindern und die Dispergierbarkeit des gemischten Pulvers und des planaren Materials erhöhen. Das organische Lösungsmittel kann Ethanol, Aceton, Toluol oder eine Mischung daraus sein, aber jedes andere organische Lösungsmittel kann auch verwendet werden, solange es im Stand der Technik bekannt ist.
  • Sintern
  • Die Mischung wird in eine Pressform eingebracht und gesintert, um ein thermoelektrisches Material gemäß der vorliegenden Offenbarung zu erstellen. Ein Verfahren zum Sintern der Mischung ist nicht eingeschränkt, solange es im Stand der Technik bekannt ist, und kann Warmpressen, Spark Plasma Sintern (engl. „spark plasma sintering“) und dergleichen sein. Auch sind die Sinterbedingungen nicht eingeschränkt und unter Berücksichtigung der Dichte des thermoelektrischen Materials kann das Sintern bei etwa 600°C bis 900°C (z.B. etwa 600°C, 650°C, 700°C, 750°C, 800°C, 850°C oder etwa 900°C) für etwa 3 Minuten bis 1 Stunde (z.B. etwa 3 Minuten, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 Minuten oder etwa 1 Stunde) bei einem Druck von etwa 30 bis 90 MPa (z.B. etwa 30 MPa, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 oder etwa 95 MPa) durchgeführt werden.
  • Thermoelektrisches Element
  • Die vorliegende Offenbarung stellt ein thermoelektrisches Element, welches das thermoelektrische Material aufweist, bereit. Im Einzelnen stellt die vorliegende Offenbarung ein thermoelektrisches Element, welches eine vorgegebene Form (z.B. ein rechteckiger Parallelepiped) hat, hergestellt durch einen Prozess des Schneidens und/oder Verarbeitens des vorgenannten thermoelektrischen Materials und dergleichen bereit.
  • Das thermoelektrische Element kann ein p-Typ thermoelektrisches Element oder ein n-Typ thermoelektrisches Element sein.
  • Das thermoelektrische Element kann an eine Elektrode gekoppelt sein, sodass es modularisiert und angewendet ist auf ein thermoelektrisches Kühlsystem, welches imstande ist, einen Kühleffekt durch das Anlegen eines Stroms aufzuweisen, oder auf ein thermoelektrisches Erzeugungssystem, welches imstande ist, einen Effekt des Erzeugens von Strom basierend auf einer Temperaturdifferenz aufzuweisen.
  • Thermoelektrisches Modul
  • Die vorliegende Offenbarung stellt ein thermoelektrisches Modul bereit, welches das thermoelektrische Element aufweist, und Details davon werden in Bezug auf 2 beschrieben sein.
  • Das thermoelektrische Modul gemäß der vorliegenden Offenbarung weist ein oberes isolierendes Substrat 100, ein unteres isolierendes Substrat 200, eine obere Elektrode 300, eine untere Elektrode 400 und ein thermoelektrisches Element 500 auf.
  • Das obere isolierende Substrat 100 und das untere isolierende Substrat 200, die das thermoelektrische Modul gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist, sind voneinander mit vorgegebenem Abstand in zugewandter Weise getrennt, an denen die Elektroden 300 und 400 entsprechend gebildet sind. Materialien, welche die isolierenden Substrate 100 und 200 bilden, können, aber nicht beschränkt darauf, Galliumarsenid (GaAs), Saphir, Silizium, Pyrex, Quarz und dergleichen sein.
  • Die obere Elektrode 300 und die untere Elektrode 400, die das thermoelektrische Modul gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist, können durch einen Prozess der Musterung (engl. „process of patterning“) an dem oberen isolierenden Substrat 100 und dem unteren isolierenden Substrat 200 gebildet werden. Hierbei kann das Verfahren der Musterung (z.B. das Verfahren der Strukturierung), aber nicht beschränkt darauf, Abheben (engl. „lift-off“), Deposition, Photolithographie und dergleichen sein. Materialien, die die obere Elektrode 300 und die untere Elektrode 400 bilden, können, aber nicht beschränkt darauf, Aluminium, Nickel, Gold, Titan und dergleichen sein.
  • Das thermoelektrische Element 500, welches das thermoelektrische Modul der vorliegenden Offenbarung aufweist, ist gebildet aus dem vorhergehenden thermoelektrischen Material und kann ein p-Typ thermoelektrisches Element 501 beziehungsweise ein n-Typ thermoelektrisches Element 502 in Kontakt mit der oberen Elektrode 300 und der unteren Elektrode 400 aufweisen.
  • Da das thermoelektrische Modul gemäß der vorliegenden Offenbarung das thermoelektrische Element 500 aufweist, welches gebildet ist aus einem thermoelektrischen Material, welches exzellente thermoelektrische Leistung und hohe Bruchzähigkeit hat, kann es exzellente Leistung und Effizienz und lange Lebensdauer aufweisen. Insbesondere, da das thermoelektrische Modul gemäß der vorliegenden Offenbarung exzellente Haltbarkeit hat, kann es vorteilhaft in einer Fahrzeugkomponente (z.B. einem Verbrennungsmotor) verwendet werden.
  • Nachfolgend werden Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben. Indes zeigen die Beispiele die vorliegende Offenbarung nur beispielhaft und die vorliegende Offenbarung wird durch die Beispiele nicht eingeschränkt.
  • [Beispiel 1]
  • Ein Rohmaterial-Pulver, welches durch das Mischen von 58,44 g von Mg Pulver (Erstes-Element-Pulver), 32,76 g von Si Pulver (Zweites-Element-Pulver), 7,50 g von Bi Pulver und 1,30 g von Al Pulver erhalten wurde, wurde in einem Vakuumzustand wärmebehandelt. Hierbei wurde die Wärmebehandlung derart durchgeführt, dass Al an eine Mg-Stelle dotiert wurde, Bi an eine Si-Stelle dotiert wurde und das dotierte Mg und das dotierte Si eine Mg2Si Phase bildeten. Das wärmebehandelte Rohmaterial-Pulver wurde für fünf Minuten kugelgemahlen (z.B. mit einer Kugelmühle gemahlen) (SPEX, 8000 D), um 100 g von Pulver einer Mischung (z.B. Mischungs-Pulver) mit einer Zusammensetzung von Mg1.96Al0.04Si0.97Bi0.03 und mit einem Teilchendurchmesser von 50 µm oder weniger zu erhalten.
  • Danach wurde ein Graphenoxid (Dicke: 1 bis 20 nm, Seitenverhältnis: 10 bis 5000) zum erstellten Mischungs-Pulver gemischt, um eine Mischung zu erstellen, sodass das Graphenoxid 1 vol% eines Gesamtvolumens eines letztendlich erstellten thermoelektrischen Materials belegt.
  • Danach wurde die erstellte Mischung in eine Form (z.B. eine Pressform) eingebracht und Spark Plasma gesintert, um ein thermoelektrisches Material zu erstellen. Das Spark Plasma Sintern wurde in einem Vakuumzustand durchgeführt und hierbei war eine Sintertemperatur etwa 750 °C, ein Sinterdruck war 40 MPa und eine Sinterdauer war 5 Minuten.
  • [Beispiel 2]
  • Ein thermoelektrisches Material wurde durch denselben Prozess wie den von Beispiel 1 erstellt, außer dass ein Graphenoxid gemischt wurde, um 3 vol% des Gesamtvolumens des letztendlich erstellten thermoelektrischen Materials zu belegen.
  • [Beispiel 3]
  • Ein thermoelektrisches Material wurde durch denselben Prozess wie den von Beispiel 2 erstellt, außer dass ein reduziertes Graphenoxid (Dicke: 1 bis 20 nm, Seitenverhältnis: 10 bis 5000) statt eines Graphenoxids angewendet wurde.
  • [Beispiel 4]
  • Ein Rohmaterial-Pulver, welches durch das Mischen von 58,44 g von Mg Pulver (Erstes-Element-Pulver), 32,76 g von Si Pulver (Zweites-Element-Pulver), 7,50 g von Bi Pulver und 1,30 g von Al Pulver erhalten wurde, wurde in einem Vakuumzustand wärmebehandelt. Hierbei wurde die Wärmebehandlung derart durchgeführt, dass Al an eine Mg-Stelle dotiert wurde, Bi an eine Si-Stelle dotiert wurde und das dotierte Mg und das dotierte Si eine Mg2Si Phase bildeten. Das wärmebehandelte Rohmaterial-Pulver wurde für fünf Minuten kugelgemahlen (SPEX, 8000 D), um 100 g von Mischungs-Pulver mit einer Zusammensetzung von Mg1.96Al0.04Si0.97Bi0.03 und einem Teilchendurchmesser von 50 µm oder weniger zu erhalten.
  • Danach wurde ein Graphenoxid (Dicke: 1 bis 20 nm, Seitenverhältnis: 10 bis 5000) zum erstellten Mischungs-Pulver gemischt, sodass das Graphenoxid 3 vol% eines Gesamtvolumens eines letztendlich erstellten thermoelektrischen Materials belegt und Ethanol wurde hinzugefügt, um eine Mischung in einem aufgeschlämmten (engl. „slurry“) Zustand zu erstellen.
  • Danach wurde die erstellte Mischung in eine Form (z.B. eine Pressform) eingebracht und Spark Plasma gesintert, um ein thermoelektrisches Material zu erstellen. Das Spark Plasma Sintern wurde in einem Vakuumzustand durchgeführt und hierbei war eine Sintertemperatur etwa 750 °C und z.B. war ein Sinterdruck 40 MPa und z.B. war eine Sinterdauer 5 Minuten.
  • [Beispiel 5]
  • Ein thermoelektrisches Material wurde erstellt durch denselben Prozess wie den von Beispiel 4, außer dass ein reduziertes Graphenoxid (Dicke: 1 bis 20 nm, Seitenverhältnis: 10 bis 5000) statt eines Graphenoxids angewendet wurde.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • Ein Rohmaterial-Pulver, welches durch das Mischen von 58,44 g von Mg Pulver (Erstes-Element-Pulver), 32,76 g von Si Pulver (Zweites-Element-Pulver), 7,50 g von Bi Pulver und 1,30 g von Al Pulver erhalten wurde, wurde in einem Vakuumzustand wärmebehandelt. Hierbei wurde die Wärmebehandlung derart durchgeführt, dass Al an eine Mg-Stelle dotiert wurde, Bi an eine Si-Stelle dotiert wurde und das dotierte Mg und das dotierte Si eine Mg2Si Phase bildeten. Das wärmebehandelte Rohmaterial-Pulver wurde für fünf Minuten kugelgemahlen (SPEX, 8000 D), um 100 g von Mischungs-Pulver mit einer Zusammensetzung von Mg1.96Al0.04Si0.97Bi0.03 und einem Teilchendurchmesser von 50 µm oder weniger zu erhalten.
  • Danach wurde die erstellte Mischung in eine Form (z.B. eine Pressform) eingebracht und Spark Plasma gesintert, um ein thermoelektrisches Material zu erstellen. Das Spark Plasma Sintern wurde in einem Vakuumzustand durchgeführt und hierbei war eine Sintertemperatur etwa 750 °C, ein Sinterdruck war 40 MPa und eine Sinterdauer war 5 Minuten.
  • [Versuchsbeispiel 1] Bewertung von thermoelektrischer Leistung
  • Physikalische Eigenschaften der thermoelektrischen Materialien, die entsprechend den Beispielen 1 bis 5 und dem Vergleichsbeispiel 1 erstellt wurden, wurden wie folgt bewertet und Ergebnisse davon sind in 3 dargestellt.
  • Elektrische Leitfähigkeit: Sie wurde durch ein Vierpunkt-Verfahren gemessen.
  • Seebeck-Koeffizient: Er wurde unter Verwendung von Ulvac ZEM-3 Ausrüstung gemessen.
  • Thermische Leitfähigkeit: Sie wurde durch LFA (Laser Flash Analyse, engl. „Laser Flash Analysis“) gemessen.
  • Dimensionslose Gütezahl (bzw. Gütemaßzahl) ZT: Sie wurde berechnet durch die Anwendung von untenstehender Gleichung 1. Z T = s 2 σ κ T
    Figure DE102017111627A1_0003
  • wobei S einen Seebeck-Koeffizienten bezeichnet, σ eine elektrische Leitfähigkeit bezeichnet, κ eine thermische Leitfähigkeit bezeichnet und T eine absolute Temperatur bezeichnet.
  • Bezugnehmend auf 3 kann gesehen werden, dass die Beispiele 1 bis 5, die einem thermoelektrischen Material gemäß der vorliegenden Offenbarung entsprechen, eine thermoelektrische Leistung haben, die gleich oder höher ist als die des Vergleichsbeispiels 1.
  • [Versuchsbeispiel 2] Bewertung von Bruchzähigkeit (Kc)
  • Ein pyramidaler Prüfstempel wurde mit einer Kraft von 2,942 N auf die entsprechend den Beispielen 1 bis 5 und dem Vergleichsbeispiel 1 erstellten thermoelektrischen Materialien gedrückt, um Brüche in den thermoelektrischen Materialien hervorzurufen. Danach wurde die Bruchzähigkeit auf Basis von untenstehender Gleichung 2 bewertet und Ergebnisse davon sind in 4 dargestellt. K C = α ( E H ) 0.5 × P C 1.5
    Figure DE102017111627A1_0004
  • wobei P eine angewandte Last bezeichnet, E einen Youngschen Modul bezeichnet, H eine Vickers Härte bezeichnet, c eine radiale Bruchlänge bezeichnet und α eine Kalibrierungskonstante bezeichnet.
  • Bezugnehmend auf 4 kann gesehen werden, dass die Beispiele 1 bis 5, die dem thermoelektrischen Material gemäß der vorliegenden Offenbarung entsprechen, eine verbesserte Bruchzähigkeit verglichen mit Vergleichsbeispiel 1 haben. Insbesondere kann gesehen werden, dass die Bruchzähigkeit von Beispiel 5 zwei- oder mehrmals besser ist als die von Vergleichsbeispiel 1.
  • [Versuchsbeispiel 3] Verifikation des planaren Materials
  • Eine Oberfläche des thermoelektrischen Materials von Beispiel 5, auf das die Bewertung der Bruchzähigkeit angewendet wurde, wurde durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM, engl. „scanning electron microscope“) überprüft und Ergebnisse davon sind in 5 dargestellt.
  • Bezugnehmend auf 5 kann gesehen werden, dass ein reduziertes Graphenoxid (ein planares Material) in einem Bruchpfad (engl. „path of cracking“) positioniert ist. Generell tritt das Brechen entlang einer Grenzfläche (zwischen Körnern) einer Kristallstruktur auf und die Tatsache, dass das reduzierte Graphenoxid in dem Bruchpfad positioniert ist, unterstützt, dass das planare Material gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Grenzfläche innerhalb der Kristallstruktur positioniert ist.
  • Wie oben beschrieben, da das thermoelektrische Material das leitende planare Material, das imstande ist ein Fortschreiten des Brechens zu verhindern, in der Grenzfläche innerhalb der Kristallstruktur, wo das Brechen größtenteils auftritt, hat, hat das thermoelektrische Material gemäß der vorliegenden Offenbarung geringe thermische Leitfähigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit und Bruchzähigkeit. Daher, wenn das thermoelektrische Modul unter Verwendung des thermoelektrischen Materials gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt wird, kann das thermoelektrische Modul exzellente Leistung und Effizienz und hohe Lebensdauer haben.
  • Die vorangehenden Beschreibungen spezifischer exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind für den Zweck der Illustration und Beschreibung präsentiert worden. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränken und offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Lehre möglich. Die exemplarischen Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erklären, um dadurch anderen Fachmännern zu ermöglichen, verschiedene exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als auch verschiedene Alternativen und Modifikationen davon herzustellen und zu nutzen. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die hier angehängten Patentansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10:
    Kristallstruktur
    11:
    Korn
    12:
    Grenzfläche
    20:
    Planares Material
    100:
    Oberes isolierendes Substrat
    200:
    Unteres isolierendes Substrat
    300:
    Obere Elektrode
    400:
    Untere Elektrode
    500:
    Thermoelektrisches Element
    501:
    Typ-p thermoelektrisches Element
    502:
    Typ-n thermoelektrisches Element
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • KR 1020160171732 [0001]

Claims (15)

  1. Ein thermoelektrisches Material, welches aufweist: eine Kristallstruktur (10), die aus Körnern (11) zusammengesetzt ist, welche ein erstes Element und ein zweites Element aufweisen; und ein planares Material (20), welches sich in einer Grenzfläche (12) innerhalb der Kristallstruktur (10) befindet.
  2. Das thermoelektrische Material gemäß Anspruch 1, wobei das erste Element eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Bismut (Bi), Cobalt (Co), Blei (Pb), Silizium (Si), Zink (Zn), Aluminium (Al) und Mangan (Mn) ist.
  3. Das thermoelektrische Material gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Element eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Tellur (Te), Selen (Se), Antimon (Sb) und Germanium (Ge) ist.
  4. Das thermoelektrische Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein durchschnittlicher Durchmesser des Korns (11) etwa 100 bis 5000 nm ist.
  5. Das thermoelektrische Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das planare Material (20) Graphen ist.
  6. Das thermoelektrische Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das planare Material (20) ein reduziertes Graphenoxid ist.
  7. Das thermoelektrische Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Dicke des planaren Materials (20) etwa 1 bis 20 nm ist.
  8. Das thermoelektrische Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Seitenverhältnis des planaren Materials (20) etwa 10 bis 5000 ist.
  9. Das thermoelektrische Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Anteil des planaren Materials (20) etwa 0,1 bis 10 vol% in Bezug auf 100 vol% des thermoelektrischen Materials ist.
  10. Ein Verfahren zum Erstellen eines thermoelektrischen Materials, wobei das Verfahren aufweist: (a) Mischen eines Pulvers eines ersten Elements und eines Pulvers eines zweiten Elements, um gemischtes Pulver zu erhalten; (b) Mischen des gemischten Pulvers und eines planaren Materials, um eine Mischung zu erhalten; und (c) Sintern der Mischung.
  11. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei ein organisches Lösungsmittel in Schritt (b) hinzugefügt wird.
  12. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das organische Lösungsmittel eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethanol, Aceton und Toluol ist.
  13. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in Schritt (c) die Mischung gesintert wird bei 600°C bis 900°C für etwa 3 Minuten bis 1 Stunde unter einem Druck von etwa 30 bis 90 MPa.
  14. Ein thermoelektrisches Element (500), welches das thermoelektrische Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
  15. Ein thermoelektrisches Modul, welches aufweist: ein oberes isolierendes Substrat (100); ein unteres isolierendes Substrat (200), welches dem oberen isolierenden Substrat (100) gegenüberliegt; eine obere Elektrode (300), welche an dem oberen isolierenden Substrat (100) gebildet ist; eine untere Elektrode (400), welche an dem unteren isolierenden Substrat (200) gebildet ist; und das thermoelektrische Element (500) gemäß Anspruch 14 in Kontakt mit jeder der oberen Elektrode (300) und der unteren Elektrode (400).
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