| Thema | Industrie 4.0 |
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| Projekttitel | Entwicklung eines TEG auf Ca3Co4O9-Basis im Siebdruckverfahren (DruckTEG) |
| Laufzeit | 01.10.2017 – 31.12.2019 |
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| Pressemitteilung | |
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Der Betrieb drahtloser Sensornetzwerke wird vielfach durch den Einsatz von Energy Harvesting Systemen ermöglicht. Wo die Versorgung der Sensorknoten nicht durch die Anbindung an ein Versorgungsnetz oder Batteriespeicher realisiert werden kann, stellen solche Systeme die Funktionalität sicher. Die dabei genutzten Effekte zielen darauf ab, Energie aus der Umgebung umzuwandeln und für den Betrieb von Mess-, Verarbeitungs- und Sendeelektronik nutzbar zu machen. Thermoelektrische Generatoren (TEG) nutzen deren namensgleichen Effekt, um aus einem bestehenden Temperaturgefälle eine elektrische Leistung zu generieren.
In dem Forschungsprojekt wird die Verwendung eines alternativen thermoelektrischen Materials auf Basis von Calciumkobaltoxid erforscht. Unter den kommerziellen TEG dominieren Werkstoffe wie Bismuttellurid – das darin enthaltene Tellur ist toxisch und wird zu den seltenen Erden gezählt. Calciumkobaltoxid bietet hier eine ungiftige, einfach herstellbare Alternative mit guten thermoelektrischen Eigenschaften. Ziel ist die Entwicklung einer Paste für die Anwendung in einem günstigen und skalierbaren Siebdruckprozess. Durch systematische Versuche und Simulationsprozesse sollen Material und Geometrie auf das Verfahren angepasst und hinsichtlich eines maximalen Outputs optimiert werden. Das Projekt wird in Kooperation mit dem Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie der Leibniz Universität Hannover durchgeführt.
Veröffentlichungen zum Projekt
Geometrie, Design und Verarbeitung haben neben den thermoelektrischen Materialeigenschaften einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und Leistung von thermoelektrischen Generatoren (TEG). Während herkömmliche BULK-TEGs aufwändig herzustellen sind und nur begrenzte Variationen der Geometrie zulassen, sind gedruckte TEGs aufgrund der Verwendung organischer Materialien oft in ihrer Anwendung und Verarbeitungstemperatur eingeschränkt. In dieser Arbeit wird ein Proof-of-Concept für die Herstellung von modularen, anpassbaren und temperaturstabilen TEGs durch die Anwendung eines alternativen Laserprozesses demonstriert. Zu diesem Zweck wurden bei niedriger Temperatur gebrannte Keramiksubstrate großflächig beschichtet, mit einem Laser frei strukturiert, ohne Masken geschnitten und in einem einzigen optimierten thermischen Nachbearbeitungsprozess zu einer festen Struktur gesintert. Zum Nachweis der Machbarkeit wurde ein skalierbares Design mit komplexer Geometrie und großer Kühloberfläche für den Einsatz auf einer heißen Welle realisiert.
Thermoelektrik, Gedruckte Elektronik, Laserstrukturierung, Gedruckte Keramik, Sprühbeschichtung
Die Herstellungstechnologie thermoelektrischer Materialien ist mühsam und teuer und umfasst oft komplexe und zeitintensive Vorbereitungsschritte. In dieser Arbeit wird ein Lasersinterverfahren für das oxidbasierte thermoelektrische Material Ca3Co4O9 untersucht. Es wurden Proben auf Basis von sprühbeschichtetem Ca3Co4O9 hergestellt und anschließend unter verschiedenen Laserparametern gesintert und hinsichtlich der Mikrostruktur und der thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. Dabei erwies sich die Kombination von Lasersintern und anschließendem thermischen Sintern als ein vielversprechendes Konzept zur Herstellung thermoelektrischer Schichten. Das Lasersintern kann somit einen großen Beitrag zur Verbesserung der Verarbeitung thermoelektrischer Materialien leisten, insbesondere wenn Schichten eingesetzt werden, die nicht unter Druck gesintert werden können.
Thermoelektrik, Lasersintern
Verfahrenstechniken zur Verbesserung der Herstellung thermoelektrischer Generatoren (TEG) sind ein wachsendes Forschungsgebiet. In diesem Beitrag wird ein anpassungsfähiger und skalierbarer Prozess vorgestellt, der Sprühbeschichtung und Laserstrukturierung für eine schnelle und einfache TEG-Herstellung umfasst. Das entwickelte Verfahren kombiniert additive und subtraktive Verfahrenstechniken zu einem anpassungsfähigen keramikbasierten TEG, das bei hohen Temperaturen einsetzbar ist und ein hohes Optimierungspotenzial aufweist. Als Prototyp wurde ein TEG auf Basis von Ca3Co4O9 (CCO) und Ag auf einem Keramiksubstrat hergestellt. Es wurde eine mikrostrukturelle und thermoelektrische Charakterisierung gezeigt, die bis zu 1,65 μW cm-2 bei 673 K und einem ΔT von 100 K erreicht. Die hohe Kontrollierbarkeit des entwickelten Verfahrens ermöglicht auch die Anpassung an verschiedene Arten thermoelektrischer Materialien.
Thermoelektrik, Laserstrukturierung
Die Prozessierung von Keramik ist eine wichtige Technologie für verschiedene technische Anwendungen. In diesem Beitrag wird ein hochgradig kontrollierbarer Prozess, bestehend aus Sprühbeschichtung und Laserstrukturierung, zur Gestaltung keramischer Schichten auf einem vielseitig einsetzbaren Substrat vorgestellt. Ein thermoelektrisches Oxid, Ca3Co4O9, das eine Form von thermoelektrischer Materialen ist, wird in dem Prozess verwendet und auf ein flexibles Keramiksubstrat appliziert. Die resultierenden Strukturen haben hochgradig kontrollierbare Geometrie und gute thermoelektrische Eigenschaften und eignen sich dadurch zur Herstellung thermoelektrischer Generatoren (TEG). Die Verwendung eines flexiblen Keramiksubstrats und die hohe Anpassbarkeit des Verfahrens ermöglichen einen Prozess, welcher die Bearbeituung von Keramiken und einzigarten Strukturen und Desings ermöglicht.
Thermoelektrik, Gedruckte Elektronik, Laserstrukturierung, Gedruckte Keramik, Sprühbeschichtung
