Geordnet-ungeordnete Materialien für hoch effiziente Thermoelektrik

• Antragsteller: Professor Dr. Robert Svendsen, seit 3/2018
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280348963

Thermoelektrische Elemente stellen eine attraktive Möglichkeit zur Bearbeitung einer wichtigen Nische der globalen Energieversorgung dar. Denn sie ermöglichen die direkte Umwandlung von Wärme, insbesondere auch Abwärme, in Elektrizität, die höchste Form der Energie bezogen auf die thermodynamische Qualität. Die Effizienz der Energieumwandlung von thermoelektrischen Elementen wird durch die dimensionslose Kennzahl ZT (engl. figure of merit) quantifiziert. In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Suche nach effizienten thermoelektrischen Materialien durch Konzepte geleitet, die versuchten den elektrischen Widerstand und gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren (engl. "phonon glass electron crystal"). Obwohl mit diesem Ansatz bereits bemerkenswerte Fortschritte von ZT bis ~2.0 erzielt werden konnten, reicht dies noch nicht aus, damit die Thermoelektrik mit anderen Stromerzeugungsvarianten konkurrieren kann. Ausgehend von diesem Stand der Technik zielt der hier vorliegende Antrag darauf ab, mithilfe von grundlegenden theoretischen und rechnergestützten Untersuchungen die weiteren Potenziale der Thermoelektrik (ZT ~3.0) zu erkunden. Dies soll durch ein neues Konzept realisiert werden, bei dem flüssigkeitsähnliche Ionen und ein kristallines Gitter kombiniert werden (engl. "phonon liquid electron crystal"). Dadurch ist eine geringe Wärmeleitfähigkeit immanent. Diese Arbeit ist neuartig, da die thermodynamischen Transportmechanismen eines Systems untersucht werden, das ein geordnetes kristallines Gitter mit kinetisch ungeordneten Ionen verbindet. Diese für zukünftige Anwendungen wichtigen Mechanismen wurden bisher noch nicht untersucht. Die Herausforderung des Projekts liegt in dem denkbaren Versagen der traditionell etablierten Analysetechniken. Diese sind zwar für klassische thermoelktrische Festkörper-Systeme leistungsfähig, ihr Verhalten gegenüber den neuen ionischen Systemen ist jedoch noch nicht bekannt. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist die Erforschung der Grundlagen der thermodynamischen Transporteigenschaften von einigen typischen ionischen und nanostrukturierten Systemen in Hinblick auf ihre Eignung als neuartige hoch effiziente Materialien der Thermoelektrik. Zu diesem Zweck sollen in enger Abstimmung Verfahren der klassischen Molekular Dynamik Simulation und ab initio basierte anharmonische Gitterdynamik und Boltzmann-Transport Berechnungen durchgeführt werden. Die Untersuchungen werden voraussichtlich einen großen Fortschritt für das grundlegende Verständnis und die gezielte Optimierung der auf Ionen basierenden thermoelektrischen Materialien liefern, mit dem Potenzial einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung der Zukunft zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Tao Ouyang; Dr.-Ing. Xiaoliang Zhang
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Ming Hu, bis 2/2018