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Thermoelektrische Effekte beschreiben die direkte Verknüpfung von thermischer Energie und elektrischer Energie in Festkörpern. Durch Thermodiffusionsströme entsteht direkt, ohne beweg¬liche Teile, ein elektrisches Feld als Folge einer Temperaturdifferenz. Diese Material-eigenschaft wird durch den Seebeckkoeffizienten beschrieben. Je nach Art der Ladungs¬träger sind die indu¬zierte Spannung und der Seebeckkoeffizient positiv (p-Typ) oder negativ (n-Typ). Thermo¬elek¬trische Effekte lassen sich beispielsweise in Thermo¬elementen zur Temperatur-messung, in Pel¬tierelementen zum Kühlen oder Heizen und in thermo¬elektrischen Generatoren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nutzen.
In thermoelektrischen Generatoren werden Schenkel aus p-Typ- und n-Typ-Materialien elek-trisch in Reihe und thermisch parallel verschaltet. Konventionell werden einzelne Schenkel aus Bismut¬tellurid auf ein metallisiertes Substrat gelötet. Man spricht vom π-Typ-Design. Aufgrund auf¬wendiger Fertigung und nicht optimaler Flächennutzung stellt dieses Design nicht die best-mög¬liche Lösung dar. Neben Telluriden gibt es noch andere vielversprechende thermoelektrische Material¬systeme wie die oxidischen Thermoelektrika. Im Temperatur¬bereich oberhalb von 700 °C können oxidische thermoelektrische Materialien mit nichtoxidischen konkurrieren. Zudem sind sie oxidationsbeständig und können aus weniger toxischen und besser verfügbaren Rohstoffen her¬ge¬stellt werden. Da es sich um keramische Materialien handelt, können unter Nutzung der Multi¬layer¬technologie (auch Vielschicht- oder Mehrlagentechnik) Generatoren im Multilayer¬design hergestellt werden. Keramische Multi¬layer¬generatoren sind aufgrund der höheren Leis¬tungs¬dichte, der Möglichkeit der gezielten Texturierung und des hohen möglichen Auto¬mati¬sierungs¬grades des Herstellungs¬prozesses eine viel¬versprechende Alternative zu konven¬tionellen π-Typ-Generatoren. Alle Lagen werden in einem Schritt co-gesintert. Die beiden zum jetzigen Zeit¬punkt wohl viel¬versprechendsten oxi¬dischen Thermoelektrika sind Calcium-cobaltit Ca3Co4O9 als p-Typ und Calciummanganat CaMnO3 als n-Typ. Die Sinter¬tem¬peratur von Ca3Co4O9 ist durch eine Phasenumwandlung bei 926 °C beschränkt. Texturiertes, dichtes Ca3Co4O9 mit einer hohen Festigkeit kann nur über Hei߬pressen hergestellt werden. Das Co-Sintern von Ca3Co4O9 und CaMnO3 war wegen der Tem¬pera¬tur¬differenz von 350 K zwischen den jeweiligen Sinterintervallen bisher nicht möglich. Ziel dieser Arbeit war deshalb die Ent¬wick¬lung von kompatiblen oxidkeramischen Werkstoffen und Folien für thermoelektrische Multilayer-generatoren auf der Basis von Ca3Co4O9 und CaMnO3.
Daraus resultieren vier wesentliche Arbeitspakete. Zunächst die Materialentwicklungen von Ca3Co4O9 (p-Typ) und CaMnO3 (n-Typ) für ein Co-Sintern bei 900 °C mit akzeptablen thermoelek¬trischen Eigenschaften, dann die Entwicklung der weiteren im Generator benötigten Kompo¬nenten wie der Isolationsschicht und abschließend die Fertigung und Bewertung von Demonstra¬toren im Multi¬layer¬design.
Foliengießen und druckunterstütztes Sintern ermöglichen die Herstellung von dichtem, tex-turier¬tem Ca3Co4O9 mit hoher Festigkeit und hohem Leistungsfaktor. Letzterer ist das Produkt der elek¬trischen Leitfähigkeit und dem Quadrat des Seebeckkoeffizienten. Für die elektrische Leit¬fähigkeit zeigte sich in dieser Arbeit ein kombinierter Einfluss von Sinterdichte und Textur. Die thermo¬elektrischen Eigen¬schaften lassen sich somit über die Einstellung der Mikrostruktur gezielt steuern.
Durch die Optimierung der Pulversynthese, die Einführung des Sinteradditives CuO und die Kombi¬nation mit dem druckunterstützten Sintern (7,5 MPa) konnte die Sintertemperatur des CaMnO3 bei gleichbleibendem Leistungsfaktor von 1250 °C auf 950 °C gesenkt werden. Druck-unter¬stütztes Sintern von CaMnO3 ist bei 900 °C möglich, führt aber zu einem Werkstoff mit geringerem Leistungsfaktor, geringerer Dichte und ungenügender Festigkeit.
Zur elektrischen Isolation der beiden thermoelektrischen Materialien wurde ein Glas-Keramik-Kompo¬sit mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungs¬koef¬fizienten ent¬wickelt.
Aus den zu Folien vergossenen thermoelektrischen Materialien, der siebgedruckten Iso¬lations-schicht und der siebgedruckten Metallisierung wurden mittels Multilayertech¬nologie De¬mons-tratoren hergestellt. Neben dem pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 wurden auch Unileg-generatoren aus Ca3Co4O9 gefertigt. Bei Unileggeneratoren wird die Komplexität des Aufbaus durch die Verwendung von nur einem thermoelektrischen Material verringert. Die Simulation der Demonstratoren zeigte, dass der pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 keine höheren Leis-tungsdichten erbringt als der aus nur Ca3Co4O9 bestehende Unileg¬generator. Auf¬grund des ge-ringen Leistungsfaktors und der geringen Festigkeit des bei 900 °C gesinterten CaMnO3 er¬scheint die Fertigung von pn-Multilayer¬generatoren aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 derzeit nicht sinn¬voll. Die Unileg¬generatoren aus Ca3Co4O9 erreichen mit sehr hoher Reproduzier¬barkeit 2 mW/cm² bei einer Temperaturdifferenz von 230 K, dies entspricht 80 % der simulierten elektrischen Leistung. Es handelt sich hierbei um den ersten Machbarkeits¬nachweis zur Herstellung von Multilayer-generatoren auf Basis von texturiertem Ca3Co4O9 mit hohem thermoelektrischem Leistungsfaktor, hoher Dichte und hoher Festigkeit.
Solch thermoelektrische Multilayergeneratoren könnten zukünftig Systeme mit geringen elek-trischen Leistungsanforderungen wie Sensoren autark und nachhaltig mit elektrischer Energie ver¬sorgen.
Entwicklung oxidkeramischer Werkstoffe und Folien für thermoelektrische Multilayergeneratoren
(2016)
Calcium cobaltite is a promising oxide thermoelectric materials for applications between 600 °C and 900 °C in air to convert waste heat directly into electrical power. The solid-state reaction, well known for large scale powder synthesis of functional materials, is used for the production of thermoelectric oxides. As a high temperature process, the powder synthesis consumes a lot of energy. In different studies, different synthesis conditions were used for the preparation of calcium cobaltite. To the author’s knowledge, a systematic study of the synthesis conditions of calcium cobaltite and calcium manganate has not yet been published.
Therefore, the synthesis conditions for calcium cobaltite (temperature, dwell time, and particle size of raw materials) were studied with a statistical design of experiments (2³) and investigated regarding phase composition (XRD), densification, and thermoelectric properties.
This study showed that a higher energy input (elevated temperatures, longer dwell times, or repeated calcinations) during powder synthesis does not improve but deteriorate the thermoelectric properties of calcium cobaltite. The same correlation was determined for the shrinkage. As a higher energy input during powder synthesis leads to a larger grain size and therefore to a reduced sinter activity the shrinkage at a given sinter profile is minimize as well as the thermoelectric properties. These results can be used to minimize the energy demand for the powder synthesis of oxide thermoelectric materials.
In addition an increase of power factor by factor 10 can be achieved by applying pressure assisted sintering.
Calciumcobaltit und Calciummanganat gehören zu den vielversprechendsten thermoelektrischen Oxiden im Temperaturbereich zwischen 600 °C und 800 °C an Luft. Mittels thermoelektrischer Generatoren kann ein Temperaturgradient direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Für die kostengünstige Pulverherstellung von Funktionsmaterialien wird im industriellen Maßstab meist die Festphasenreaktion (bzw. Kalzinierung) verwendet. Da es sich dabei um einen Hochtemperaturprozess handelt, ist diese Kalzinierung sehr energieintensiv. In der Literatur werden sehr unterschiedliche Prozessbedingungen zur Pulversynthese thermoelektrischer Oxide genutzt. Soweit dem Autor bekannt, ist keine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen auf die thermoelektrischen Eigenschaften publiziert.
Deshalb wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen (Temperatur, Haltezeit, Partikelgröße, Wiederholungen) auf die thermoelektrischen Eigenschaften von Calciumcobaltit und Calciummanganat durchgeführt.
Es konnte gezeigt werden, dass sich ein höherer Energieeintrag während der Kalzinierung negativ auf die thermoelektrischen Eigenschaften auswirkt.
Calciumcobaltit ist eines der vielversprechendsten thermoelektrischen Oxide, welche zur direkten Wärmerückgewinnung genutzt werden können. Calciumcobaltit weist sowohl eine anisotrope Partikelform als auch anisotrope thermoelektrische Eigenschaften auf. Durch gezielte Ausrichtung der Partikel mittels Foliengießens und druckunterstützter Sinterung kann diese Anisotropie gezielt auf ein Bauteil übertragen werden. Die Partikelmorphologie kann durch Dotierung und Kalzinierung beeinflusst werden. Verschiedene Calciumcobaltitpulver wurden druckgesintert und das Gefüge sowie die thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. Die Dotierung mit Bismut führte zu einer Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit bei druckgesinterten Proben im Gegensatz zu undotierten Pulvern.
Thermoelektrische Generatoren können zum „Energy harvesting“ für den autarken Betrieb von bspw. Sensoren eingesetzt werden. Eine interessante Alternative zu den herkömmlichen π-Typ Generatoren sind auf Grund der höheren Leistungsdichte und der guten Automatisierbarkeit thermoelektrische Multilayergeneratoren. Calciumcobaltit ist ein vielsprechendes oxidisches Thermoelektrika (p-Typ) mit stark anisotropen Eigenschaften. Die hier vorgestellte Studie zeigt die Entwicklung von texturierten Unileg-Multilayer-Generatoren mittels keramischer Multilayertechnologie.
Calciumcobaltit wird durch Foliengießen und druckunterstützte Sinterung texturiert. Im Vergleich zur konventionellen Sinterung verbessert sich die Festigkeit um den Faktor 10. Die thermoelektrischen Eigenschaften können je nach verwendetem Druckniveau hinsichtlich maximalem Power Factor oder hinsichtlich maximalem Gütefaktor optimiert werden.
Ein Glaskeramikkomposit wird als Isolationsmaterial mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten entwickelt. Der Unileg-Multilayer-Generator wird in einem Schritt co-gesintert. Die hergestellten Demonstratoren erreichen 80% der simulierten Output-Leistung. Diese Ergebnisse stellen den ersten Machbarkeitsnachweis für die Herstellung von co-gesinterten Multilayer-Generatoren aus texturiertem Calciumcobaltit mit hohem Power Factor und hoher Festigkeit dar.
Calcium cobaltite Ca3Co4O9, abbreviated Co349, is a promising thermoelectric material for high‐temperature applications in air. Its anisotropic properties can be assigned to polycrystalline parts by texturing. Tape casting and pressure‐assisted sintering (PAS) are a possible future way for a cost‐effective mass‐production of thermoelectric generators. This study examines the influence of pressure and dwell time during PAS at 900°C of tape‐cast Co349 on texture and thermoelectric properties. Tape casting aligns lentoid Co349. PAS results in a textured Co349 microstructure with the thermoelectrically favorable ab‐direction perpendicular to the pressing direction. By pressure variation during sintering, the microstructure of Co349 can be tailored either toward a maximum figure of merit as required for energy harvesting or toward a maximum power factor as required for energy harvesting. Moderate pressure of 2.5 MPa results in 25% porosity and a textured microstructure with a figure of merit of 0.13 at 700°C, two times higher than the dry‐pressed, pressureless‐sintered reference. A pressure of 7.5 MPa leads to 94% density and a high power factor of 326 µW/mK2 at 800°C, which is 11 times higher than the dry‐pressed reference (30 MPa) from the same powder.
Glass-ceramic composites as insulation material for thermoelectric oxide multilayer generators
(2021)
Thermoelectric generators can be used as energy harvesters for sensor applications.
Adapting the ceramic multilayer technology, their production can be
highly automated. In such multilayer thermoelectric generators, the electrical insulation material, which separates the thermoelectric legs, is crucial for the performance of the device. The insulationmaterial should be adapted to the thermoelectric regarding its averaged coefficient of thermal expansion α and its sintering temperature while maintaining a high resistivity.
In this study, starting from theoretical calculations, a glass-ceramic Composite material adapted for multilayer generators fromcalciummanganate and Calcium cobaltite is developed. The material is optimized towards an α of 11 × 10−6 K−1 (20–500◦C), a sintering temperature of 900◦C, and a high resistivity up to 800◦C.
Calculated and measured α are in good agreement. The chosen glass-ceramic composite with 45 vol.% quartz has a resistivity of 1 × 107 Ωcm and an open porosity of <3%. Sintered multilayer samples from tape-cast thermoelectric oxides and screen-printed insulation show only small reaction layers. It can be concluded that glass-ceramic composites are a well-suited material class for insulation layers as their physical properties can be tuned by varying glass composition or dispersion phases.
Pressure-assisted sintering of tape cast calcium cobaltite Ca3Co4O9 with varied powder compositions
(2017)
Calcium cobaltite Ca3Co4O9 is a promising p-type oxide thermoelectric material for applications between 600 °C and 900 °C in air. The properties and the morphology of Ca3Co4O9 are strongly anisotropic because of its layered crystal structure. By aligning the plate-like grains, the anisotropic properties can be assigned to the component. Hot-pressing of tablets is a well-known technology for grain alignment of Ca3Co4O9 and increases the thermoelectric properties in a/b-direction remarkably. However, hot-pressing of tablets is limited by the tablet size. An interesting alternative for larger components is the pressure assisted sintering of panels from tape casted layers. Tape casting already leads to grain orientation during green body forming. By combining tape casting and pressure assisted sintering (50 kN maximum force) of Ca3Co4O9, high densities and high thermoelectric properties can be reached for large components up to 200 mm edge length.
The morphology of Ca3Co4O9-grains can be designed by doping as well as by varying the powder synthesis conditions. For example Bi-doping increases the anisotropy of the grains, and reaction sintering of uncalcined powder leads to a fine grained microstructure and increases the electrical conductivity for pressure-less sintered specimens.
Doped and undoped Ca3Co4O9 powders were successfully tape cast with the doctor blade technique. Several layers of tape were stacked and laminated to 7 cm x 7 cm panels. These panels were sintered in a LTCC sintering press with combined in-situ shrinkage measurement. Pressure-less sintered panels from undoped powder have a 2.5 times higher electrical conductivity at room temperature than dry-pressed test bars with randomly orientated particles. By applying a uniaxial pressure of 10 MPa during sintering, the electrical conductivity (σ25°C = 15000 S/m) increases by the factor of 6 compared to the pressure-less sintered panels, which is in good accordance to the values reported in literature for conventional hot pressing [1, 3]. It is not possible to assign the increased anisotropy of Ca2.7Bi0.3Co4O9 to the pressure-assisted sintered panels, as Bi leads to an abnormal grain growth (up to 500 µm) with randomly oriented grains. This decreases the electrical conductivity (σ25°C = 5000 S/m). Such an abnormal grain-growth is reported for Bi over-doped Ca3Co4O9 but not because of hot-pressing.
Thermoelectric generators can be used as energy harvesters for sensor applications. Multilayer thermoelectric generators (ML-TEGs) are a promising alternative to conventional π-type generators due to their high filling factor, high capability of automated production and the texturing potential during the production process. Calcium cobaltite is a promising thermoelectric oxide (p-type) with highly anisotropic properties. The following study shows the development of a textured unileg ML-TEG using ceramic multilayer technology.
Tape-casting and pressure assisted sintering are applied to fabricate textured calcium cobaltite. Compared to conventional sintering, pressure assisted sintering increases the strength by the factor 10. Thermoelectric properties can be tuned either towards maximum power factor or towards maximum figure of merit depending on the pressure level.
As electrical insulation material, a screen-printable glass-ceramic with high resistivity and adapted coefficient of thermal expansion is developed. From various commercial pastes a metallization with low contact resistance is chosen. The unileg ML-TEG is co-fired in one single step. The demonstrators reach 80% of the simulated output power and the power output is highly reproducible between the different demonstrators (99%). These results provide the first proof-of-concept for fabricating co-fired multilayer generators based on textured calcium cobaltite with high power factor, high density, and high strength.
Thermoelectric materials can convert waste heat directly into electrical power by utilizing the Seebeck effect. Calcium cobaltite Ca3Co4O9 is a promising p-type oxide thermoelectric material for applications between 600 °C and 900 °C in air. The properties and morphology of Ca3Co4O9 are strongly anisotropic because of its crystal structure of alternating layers of CoO2 and Ca2CoO3. The electrical conductivity is for example 13.5 times higher in a/b-direction than in c-direction. By aligning the plate-like grains, the anisotropic properties can be assigned to the component. Hot-pressing of tablets is a well-known technology for grain alignment of Ca3Co4O9 and increases the thermoelectric properties in a/b-direction remarkably. It also increases the relative density. However, hot-pressing of tablets is limited by the tablet size. An interesting alternative for larger components is the pressure assisted sintering of panels from tape casted layers. Tape casting already leads to a grain alignment during green body forming. By combining tape casting and pressure assisted sintering (50 kN maximum force) of Ca3Co4O9, high densities and high thermoelectric properties can be reached for large components up to 200 mm edge length.
Ca3Co4O9 was successfully tape casted with the doctor blade technique (binder: polyvinyl butyral, organic solvent). Several layers of tape were stacked and laminated to 5 cm x 5 cm panels. These panels were sintered with different applied pressures in a LTCC sintering press with combined in-situ shrinkage measurement. Pressure-less sintered panels have a 2.5 times higher electrical conductivity at room temperature than test bars with randomly orientated particles. By applying a uniaxial pressure of 10 MPa during sintering, the electrical conductivity increases by the factor of 6 compared to the pressure-less sintered panels. About 40 % linear shrinkage are reached in pressing direction. The Seebeck coefficient (S25 °C=146 μV/K) and the electrical conductivity (σ25 °C=15100 S/m) are in good agreement with the values published in literature for hot-pressed tablets.