高温・空気中で安定した性能を示す実用的な熱電変換材料

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高温・空気中で安定した性能を示す実用的な熱電変換材料

太田裕道教授 Hiromichi Ohta

博士（工学）

電子科学研究所　物質科学研究部門

北海道⼤学研究者総覧

再現性良く実用レベルの高性能を示す酸化物熱電材料

Ba_1/3CoO₂が、空気中・600℃においてZT ~0.55を示すことを発見しました。高温・空気中で再現性良く高性能を示す実用的な熱電変換材料がついに実現したと言えます。

研究の内容

【背景】熱電変換は、廃熱を再資源化する技術として注目されています。いくつかの酸化物が実用材料PbTeの性能指数ZTを超える熱電材料になると提案されましたが、再現性がなく、実用化されることはありませんでした。当研究グループは、Ba_1/3CoO₂が室温においてZT ~0.11を示すことを発見しましたが、その高温特性は未解明のままでした。
【アプローチ】Ba_1/3CoO₂エピタキシャル薄膜を作製し、安定な加熱温度範囲を調べ、その温度範囲内における熱電特性を計測しました。
【結果】
・Ba_1/3CoO₂が空気中・600℃においてZT = 0.55を示すことを発見。
・実用化された非酸化物熱電変換材料の性能に匹敵する高いZT。
・高温・空気中で再現性良く安定した高性能を発揮。

Ba1/3CoO2の結晶構造（左）と熱電変換性能指数ZTの温度依存性（右）
層状コバルト酸化物AxCoO2（Ax = Na3/4、 Ca1/3、 Sr1/3、 Ba1/3）の熱安定性。（左）作製直後のAxCoO2薄膜の室温における電気抵抗率。Ba1/3CoO2の抵抗率は、約0.85 mΩ cm。（右）空気中・室温から650℃まで、50℃刻みで昇温し、各温度で30分間加熱した後、室温で計測したAxCoO2薄膜の電気抵抗率の加熱温度依存性。Ba1/3CoO2薄膜の室温における電気抵抗率は空気中・600℃加熱後も変化しなかった。
層状コバルト酸化物AxCoO2（Ax = Na3/4、 Ca1/3、 Sr1/3、 Ba1/3）の空気中における熱電特性の温度依存性。Ba1/3CoO2薄膜の出力因子は温度上昇に対して増加し、600℃では約1.2 mW m−1K−2であった。一方、熱伝導率は温度上昇に対して減少し、600℃では約1.9 W m−1 K−1であった。その結果、性能指数ZTは温度上昇に対して増加し、600℃では約0.55に達した。
Ba1/3CoO2薄膜の空気中、600℃における熱電能。（上）環境温度、（下）熱電能。Ba1/3CoO2薄膜の熱電能は、約2日間経過後においても130～140 μV K−1で安定している。