Kobolttipohjaiset termosähköiset materiaalit

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli tutkia Freeport Cobalt Oy:n valmistamien kobolttiyhdisteiden soveltuvuutta kahden tunnetun termosähköisen oksidin, natriumkobolttioksidin NaxCoO2 ja misfit-rakenteisen kalsiumkobolttioksidin [CoCa2O3]0,62CoO2, valmistukseen. Kobolttilähtöaineet karakterisoitiin röntgendiffraktiomittausten ja Rietveld-hienonnuksen avulla. Lähtöaineiden happi- ja vesipitoisuudet määritettiin termogravimetrisesti. Kiinteän olomuodon synteesillä valmistettujen termosähköisten kobolttioksidien puhtaus, kidekoko, kationisuhteet, happipitoisuudet, Seebeck-kertoimet ja resistiivisyydet määritettiin.

Työn kirjallisuusosassa perehdytään termosähköisyyden teoriaan, kaupallisiin ja uusiin termosähköisiin materiaaleihin, termosähköisten materiaalien valmistus- ja käsittelymenetelmiin sekä karakterisointiin. Myös termosähköisten kobolttioksidien mahdollisia sovelluskohteita ja markkinanäkymiä arvioidaan.

Valmistettujen NaxCoO2- ja [CoCa2O3]0,62CoO2-faasien Seebeck-kerrointen havaittiin olevan kirjallisuusarvoja suurempia. Natriumkobolttioksidien Seebeck-kerrointen arvot ovat välillä 70–127 μV K-1 ja kalsiumkobolttioksidien välillä 132–278 μV K-1. Myös tuotteiden resistiivisyydet ovat huomattavasti kirjallisuusarvoja suurempia, minkä vuoksi materiaalien tehotekijät jäivät pieniksi. Natriumkobolttioksidien resistiivisyydet ovat välillä 100–1500 μΩm ja kalsiumkobolttioksidien välillä 700–10000 μΩm. Resistiivisyyteen vaikuttavat happipitoisuuden ja varauksenkuljettajien konsentraation lisäksi näytteen mikrorakenne.

The purpose of this work was to examine the use of cobalt compounds produced by Freeport Cobalt, in the synthesis of two well known thermoelectric oxides, sodium cobalt oxide NaxCoO2 and misfit-layered calcium cobalt oxide [CoCa2O3]0,62CoO2. The cobalt starting materials were characterised by X-ray powder diffraction and Rietveld-refinement. Water and oxygen contents of the starting materials were determined by thermogravimetry. Purity, crystal size, cation stoichiometry, oxygen content, Seebeck coefficient and resistivity of the thermoelectric cobalt oxides produced by solid state synthesis, were determined.

In the literature section, the theory of thermoelectricity, commercial and novel thermoelectric materials, along with production, treatment, and characterisation methods of thermoelectric materials, are discussed. Potential applications and markets for thermoelectric cobalt oxides are reviewed.

Seebeck coefficients of the produced NaxCoO2 and [CoCa2O3]0,62CoO2 phases were determined to be higher than literature values. Seebeck coefficients are between 70 and 127 μV K-1 for sodium cobalt oxides and between 132 and 278 μV K-1 for calcium cobalt oxides. Resistivities of the products are also much higher than reported earlier, which results in low power factors. Resistivity values are between 100 and 1500 μΩm for sodium cobalt oxides and between 700 and 10000 μΩm for calcium cobalt oxides. Resistivity is affected by oxygen content and carrier concentration, along with sample microstructure.