Captura de electricidad por un fresco y efectivo

Ciencia Prensa China

imagen: (a) Diagrama esquemático que muestra el ensamblaje de un módulo basado en Mg3Sb2 mediante sinterización a alta temperatura asistida por presión. Se utilizan rellenos de soldadura fuerte de Al-Si-Cu. (b) Montaje de un módulo a base de Mg3Sb2 mediante unión a baja temperatura y baja presión con ayuda de pasta compuesta de Ag. (c) Cambio de masa y flujo de calor para la pasta compuesta de Ag durante 10 ciclos térmicos de 523 K a 773 K. (d) Comparación del cambio de resistencia antes y después de soldar con pasta compuesta de Ag.ver más

Crédito: ©Science China Press

Como una de las soluciones más prometedoras para mejorar la eficiencia de utilización de los combustibles fósiles y aliviar la contaminación ambiental, la tecnología de generación de energía termoeléctrica (TE) tiene las ventajas de operación de estado sólido, funcionamiento sin partes móviles, mantenimiento gratuito y servicio extendido. Durante las últimas décadas, se han realizado esfuerzos considerables para mejorar el rendimiento de los materiales TE. Y aparecen algunas aleaciones excelentes, como compuestos IV-VI (por ejemplo, SnSe, GeTe y PbSe), skutteruditas y Cu2Se. Estos avances sin precedentes en la mejora del rendimiento de los materiales de TE son un importante paso habilitador que presagia aplicaciones generalizadas de dispositivos de TE. Sin embargo, los avances en la tecnología de dispositivos TE han progresado con menor rapidez. Los esfuerzos actuales se centran principalmente en problemas de una sola pierna o unipar, como el diseño de electrodos, la detección de capas de barrera y la optimización de la interfaz. Una sola pierna es muy útil para evaluar el potencial de un material TE en particular, pero aún está lejos de las aplicaciones prácticas. Para aplicaciones industriales, es necesario desarrollar módulos que consistan en materiales TE de tipo n y tipo p. Sin embargo, el desarrollo de módulos es más desafiante que la fabricación de una sola pata. Se deben abordar más temas de manera elaborada, como el desarrollo de materiales TE de tipo n y tipo p coincidentes, la optimización de la geometría de las patas de TE, la soldadura y el ensamblaje de múltiples patas y la evaluación de la eficiencia y confiabilidad de los módulos. Además, la mayoría de los componentes de TE que se utilizan o estudian actualmente contienen elementos raros (p. ej., Te) o elementos tóxicos (p. ej., Pb), lo que representa un impedimento potencial para las aplicaciones a gran escala.

En los últimos años, los compuestos basados ​​en Mg3Sb2 han atraído un interés considerable por parte de la comunidad TE debido a su naturaleza no tóxica, la abundancia de elementos constituyentes y su excelente robustez mecánica. Inspirándose en la transición de Mg3Sb2 de tipo p a Mg3Sb2 de tipo n, ha florecido la investigación posterior sobre este tipo de compuesto. Se han logrado avances significativos en los últimos cinco años, logrando mejoras en el desempeño de TE. Este resultado alentador hace que los compuestos basados ​​en Mg3Sb2, de bajo costo y respetuosos con el medio ambiente, sean sustitutos prometedores de las aleaciones de última generación que contienen Te o Pb para la generación de energía TE a temperatura media. Y recientemente ha despertado un intenso interés de investigación en el desarrollo de su dispositivo. A nivel de un solo tramo, se han realizado esfuerzos en términos de síntesis escalable de Mg3Sb2 de tipo n, diseño de interfaces de unión confiables y detección de capas de barrera. Un resultado digno de mención es que se podría lograr una eficiencia de una sola rama de ~10 % a una diferencia de temperatura de 400 K con una temperatura de fuente de calor de 700 K, lo que indica un buen potencial para aplicaciones de generación de energía a temperatura media. A nivel de unipar o módulo, se han utilizado diferentes compuestos TE de tipo p, como Bi2Te3, MgAgSb, GeTe, CdSb y CoSb3, para el emparejamiento con n-Mg3Sb2. Los módulos fabricados con diferentes combinaciones de materiales han ofrecido un excelente rendimiento de generación de energía en el rango de temperatura baja y media.

Sin embargo, es notable que todos estos módulos se fabrican utilizando compuestos TE de tipo n y p de diferentes padres. Debido a las diferentes propiedades químicas y de TE de estas aleaciones de tipo n y p, se necesita un diseño de geometría de dispositivo engorroso y la selección individual de capas de barrera adecuadas. Más importante aún, los módulos TE para la generación de energía generalmente funcionan con grandes gradientes de temperatura (p. ej., 300~500 K para aplicaciones de generación de energía a temperatura media) y temperaturas fluctuantes, por lo que las diferencias en los parámetros físicos de los materiales TE de tipo n y p, como el coeficiente de expansión térmica dará lugar a tensiones térmicas elevadas que pueden conducir fácilmente a la falla del dispositivo durante el servicio. Además, las diferencias en el punto de fusión y la maquinabilidad de los diferentes materiales TE de tipo n y tipo p imponen restricciones adicionales en el proceso de soldadura y ensamblaje. Por lo tanto, existe un fuerte deseo de desarrollar módulos TE eficientes y robustos utilizando los mismos compuestos TE originales, de modo que una combinación excelente de las propiedades del material facilite la fabricación del módulo y asegure un funcionamiento estable a largo plazo. Y ha sido bien demostrado en aplicaciones reales, por ejemplo, los módulos Bi2Te3 disponibles comercialmente, los módulos PbTe y los módulos SiGe utilizados por la NASA en la exploración del espacio profundo, que están hechos de los mismos materiales TE originales de tipo n y p. .

En respuesta a este desafío, recientemente, el equipo de investigación de TE dirigido por el profesor Wan Jiang y Lianjun Wang de la Universidad de Donghua (DHU) y el doctor Qihao Zhang del Instituto Leibniz para la Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresden (IFW Dresden) desarrollaron nuevos módulos de TE que consisten en de aleaciones basadas en Mg3Sb2 de tipo n y tipo p. Los gránulos basados ​​en Mg3Sb2 de tipo p y tipo n del mismo padre se fabrican mediante aleación mecánica y sinterización por chispa de plasma. Estos dos compuestos muestran propiedades mecánicas y TE bien combinadas debido a sus estructuras cristalinas análogas y composiciones químicas similares. Las simulaciones de elementos finitos confirman que la relación óptima del área de la sección transversal de las piernas para lograr la máxima eficiencia de conversión es de alrededor de 1,0, lo que es favorable para el ensamblaje de los módulos. Los cálculos de acoplamiento termomecánico muestran que las tensiones térmicas causadas por la diferencia en la expansión térmica entre los elementos TE de tipo p y tipo n se minimizan. El hierro se utiliza como una capa de barrera de difusión para las piernas de tipo n y tipo p. Y se adopta un proceso de sinterización de un solo paso para fabricar las uniones TE, lo que permite una fuerte unión con baja resistividad de contacto interfacial. Además, los módulos TE basados ​​íntegramente en Mg3Sb2 se fabrican mediante el desarrollo de un nuevo proceso de unión que utiliza pastas compuestas de Ag que permite el ensamblaje a baja temperatura, capaz de soportar temperaturas de servicio más altas. Todos estos esfuerzos dan como resultado un módulo totalmente basado en Mg3Sb2 con una alta eficiencia del 7,5 % para capturar energía eléctrica a una temperatura de fuente de calor de 673 K y una excepcional fiabilidad del módulo frente a los ciclos térmicos. Estos resultados ilustran con éxito el gran potencial del desarrollo de todos los módulos basados ​​en Mg3Sb2 para la generación eficiente de electricidad a partir de calor residual de bajo grado pero extremadamente abundante.

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Ver el artículo:

Módulos termoeléctricos del mismo padre confiables y de alta eficiencia que utilizan compuestos basados ​​en Mg3Sb2

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad095

Revista Nacional de Ciencias

10.1093/nsr/nwad095

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