Physico-Chemical development of oxide-based ceramics for thermoelectric energy harvesting

Abstract

The thermoelectric effect describes the conversion of heat into electrical energy and it is the pivotal element for the utilization of waste heat via Energy Harvesting. Especially high-temperature applications in industrially relevant areas such as basic materials production or transportation hold enormous potential for unused energy. Proper thermoelectric materials for these high-temperature applications are mandatory to ensure high conversion efficiency and high electrical power output. Oxides are auspicious candidates for this task as they exhibit high thermal stability under air and are less toxic than most alternatives. Therefore, it is expedient to investigate the electrical performance and the energy conversion efficiency of these promising high-temperature materials more intensively. The currently best performing oxide material is Ca3Co4O9 (CCO), so improving its thermoelectric properties was the main research focus of this thesis. Novel composite materials based on CCO in combination with other oxides such as La2NiO4 (LNO), Na2Ca2Nb4O13 (NCNO), NaxCoO2 (NCO) and Bi2Ca2Co2O9 (BCCO) as well as the oxyselenide BiCuSeO (BCSO) were synthesized and thoroughly investigated regarding synergistic effects. Close attention was given to the microstructure and elemental composition, which were investigated by various methods such as electron microscopy as well as electron or X-ray diffraction. Further analyses regarding the thermoelectric performance were made by measuring the Seebeck coefficient, the electrical conductivity and the thermal conductivity. All investigated materials exhibit layered crystal structures and hence anisotropic transport properties. Preferred crystal orientations within the composite ceramics were observed due to uniaxial pressing during processing. In case of LNO or NCNO, the orientation was influenced by using large plate-like particles synthesized by molten-flux synthesis. Sintering resulted in advantageous reactions between the mixing partners. Regarding LNO or NCNO, heavily doped perovskite phases La(Co,Ni)O3 and Ca(Nb,Co)O3 were ascertained with beneficial impact on the thermoelectric properties. Especially the power factor was positively influenced, either by an enhanced electrical conductivity or by a higher Seebeck coefficient. Approaches in the nanodimension were realized by a triple-phase ceramic including NCO and BCCO as two-dimensional nanostructures within a CCO matrix or by using BCSO nanosheets as a mixing partner. In both cases, the electrical conductivity and the Seebeck coefficient were increased simultaneously as a result of doping and emerged phases. While the large particles could increase either the average or even the maximum figure-of-merit compared to CCO, the nanodimensional strategy led to a significantly enhanced power factor.Der thermoelektrische Effekt beschreibt die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und ist das zentrale Element für die Ausnutzung von Verlustwärme durch "Energy Harvesting". Besonders Hochtemperatur-Anwendungen in industriell relevanten Sektoren, wie der Herstellung von Basismaterialien oder des Transportwesens, umfassen große Potentiale von ungenutzter Energie. Um eine hohe Effizienz beim Umwandeln der Energieformen und eine hohe elektrische Leistungsabgabe zu erreichen, sind für diese Hochtemperatur-Anwendungen geeignete thermoelektrische Materialien erforderlich. Oxide sind vielversprechende Kandidaten, da sie eine hohe Temperaturstabilität und eine geringere Toxizität als die meisten Alternativen aufweisen. Es ist daher zielführend, die elektrische Leistungsfähigkeit und die Effizienz der Energieumwandlung dieser vielversprechenden Hochtemperatur-Materialien intensiver zu untersuchen. Momentan stellt Ca3Co4O9 (CCO) das leistungsstärkste oxidische Material dar, weshalb die Verbesserung seiner thermoelektrischen Eigenschaften den Hauptaspekt der vorliegenden Dissertation darstellt. Hierzu wurden neuartige Kompositmaterialien basierend auf CCO in Kombination mit anderen Oxiden wie La2NiO4 (LNO), Na2Ca2Nb4O13 (NCNO), NaxCoO2 (NCO) und Bi2Ca2Co2O9 (BCCO) oder dem Oxyselenid BiCuSeO (BCSO) hergestellt und ausgiebig hinsichtlich synergistischer Effekte untersucht. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Mikrostruktur und der elementaren Zusammensetzung, welche mittels zahlreicher Analysemethoden wie etwa der Elektronenmikroskopie oder der Elektronen- und Röntgen-Beugung untersucht wurden. Weitere Analysen bezüglich des thermoelektrischen Verhaltens erfolgten durch Messung des Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen sowie der thermischen Leitfähigkeit. Alle untersuchten Materialien weisen geschichtete Kristallstrukturen und damit anisotrope Transporteigenschaften auf. Durch das uniaxiale Pressen während der Prozessierung konnten innerhalb der Komposit-Keramiken bevorzugte Kristall-Orientierungen erzeugt werden. Im Falle von LNO und NCNO wurde die Orientierung durch den Einsatz großer plättchenförmiger Partikel, welche durch Schmelzfluss-Synthese gewonnen wurden, beeinflusst. Das Sintern resultierte in vorteilhaften Reaktionen zwischen den jeweilig gemischten Komponenten. Unter Einsatz von LNO oder NCNO konnten die hochdotierten Perowskit-Phasen La(Co,Ni)O3 und Ca(Nb,Co)O3 mit vorteilhaften Auswirkungen für die thermoelektrischen Eigenschaften identifiziert werden. Insbesondere der Leistungsfaktor wurde positiv beeinflusst, entweder durch eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit oder durch einen größeren Seebeck-Koeffizienten. Eine auf Nanodimensionalität beruhende Strategie wurde durch eine dreiphasige Keramik mit NCO und BCCO als zweidimensionale Nanostrukturen innerhalb einer CCO Matrix oder durch den Einsatz von BCSO als Mischungspartner realisiert. In beiden Fällen konnten mittels Dotierung und neu entstandener Phasen die elektrische Leitfähigkeit und der Seebeck Koeffizient simultan erhöht werden. Während die großen Partikel den Durchschnittswert oder sogar den Maximalwert der Gütezahl gegenüber CCO erhöhen konnten, führte der nanodimensionale Ansatz zu einer signifikanten Erhöhung des Leistungsfaktors