Thermoelectric Silicides

More than 60% of all the energy produced in the world today ends up in the environment as waste heat. One way to utilize some of this energy is with Thermoelectric Generators (TEG). A TEG-system has no moving parts, requires very little maintenance and, due to its modular design, can be fitted to almost any heat source regardless of size. The core of a TEG is thermoelectric materials that converts a heat flow into electric current. The higher the temperature difference, the more electricity is generated. However, todays TEG technology is relatively expensive, since rare, expensive and toxic materials are used than only can withstand modest temperatures of a few hundred degrees. In this project, we will develop next generation thermoelectric materials based on cheap and harmless silicon, which mixed with other elements forms silicides. These silicides can also handle higher temperatures than todays materials, and will therefore convert heat to electricity more efficient. The goal is to demonstrate a TEG based on silicides with considerable lower price than todays TEG technology. By utilizing Elkems knowledge and expertise in production of advanced silicon-based materials with very low energy cost, we wish to develop new materials and advanced production processes for making thermoelectric silicides. TEGma will handle these materials further to integrate them in TEG that can be used for waste heat recovery purposes. Furthermore, SIntef, UiO and UiA will contribute with important modelling, characterisation and measurement of the materials to achieve the highest possible efficiency and durability. In the project, a focus has been to identify promising silicides by using theorethical methods based on the latest development in computational materials science to calculate thermoelectric properties based purely on information on the atoms and materials crystal structure. More than 1000 different compositions were used as a starting point, and approximately 30 of these were identified as promising. Many of these silicides are well-known compounds, such as Mg2Si and MnSi1.75, but also other less explored systems have been discovered which we in the continuation of the project will look more into. If the results from the theoretical calculations are reproducible in experiments, this will represent a significant step in the development of new, efficient thermoelectric materials based on cheap and abundant elements. In parallel, we have also developed production methods of state-of-the-art materials such as the above mentioned Mg2Si and MnSi1.75. Results show that we are able to reproduce published values on thermoelectric properties with our own, scalable production methods. Consolidation of these powder materials to compact materials with high structural integrity is an important step in the manufacturing of TEG. This has been done by spark-plasma-sintering (SPS), a rapid, flexible and scalebale method. The broad parametric space has been narrowed down and optimized by using a Taguchi-matrix approach in the experimental work. The materials developed in the projects were finally used to build thermoelectric modules. Sylindrical discs from the the SPS process were cut into rectangular pieces and assembled together to make a TEG module. Several different types of metallization and bonding schemes were tested in order to produce a well-working module.

Den teoretiske screeningen har resultert i en liste med rundt 30 silisider som er lovende for termoelektriske anvendelser. Hvis det viser seg at ett eller flere av disse materialene har gode termoelektriske egenskaper, kan det føre til et gjennombrudd i internasjonal forskning og utvikling av termoelektriske generatorer. Utviklingen av en metode for produksjon og konsolidering av silisider kan ha stor nytteverdi for aktører som ønsker å arbeide videre mot kommersialisering. Det samme gjelder utviklingen av en modul-prototyp. Dersom noe av dette fører til nye og bedre moduler for termoelektrisk varmegjenvinning, vil det ha stor betydning for å øke effektiviteten i prosesser med stor produksjon av spillvarme. Det kan også på sikt brukes til produksjon av elektrisitet fra forskjellige former for primærvarme, solvarme osv. Norsk næringsliv vil kunne dra nytte av dette både som produsenter av termoelektriske materialer og som sluttbrukere av teknologien for å øke energieffektiviteten.

Dette prosjektet søker å utvikle silisiumbaserte materialer til termoelektriske (TE) anvendelser, for eksempel direkte omdanning av spillvarme til elektrisitet. Silisider er blant de mest lovende materialene for neste generasjon TE generatorer, med en gunstig kombinasjon av lave råvarepriser, ikke-giftige grunnstoffer og ganske god effektivitet - de har potensielt best ytelse/pris blant alle kjente TE materialsystemer. En hovedutfordring med silisider er å etablere en koherent produksjonslinje som fører helt frem til ferdige moduler. Det er langt fra de lovende resultatene på laboratorieskala til en industriell prosesslinje, og det er ingen internasjonale aktører som har rapportert metoder som løser utfordringene med en slik oppskalering. Innovasjonen reflekterer de forskjellige trinnene som må være på plass for en industriprosess: 1) valg av materialsystem, 2) produksjon av materialer integrert i Elkems silisiumlinje, 3) utvikling av en pulvermetallurgisk metode for å lage kompakte materialer fra pulver, 4) metallisering og pakking av modul. Valg av materialsystem vil bli gjort med en kombinasjon av teoretisk screening, eksperimentell testing og data fra litteraturen. Pulverproduksjonen vil ta utgangspunkt i eksisterende linjer for bærekraftig silisiumproduksjon hos Elkem, der det er tilgang til et spenn av renhetsgrader og priser. Flere metallurgiske metoder vil bli testet for å konsolidere pulveret, med optimering av parametere som temperaturprofil, trykk og atmosfære. Pakkingen vil bli basert på tilgjengelige metoder fra litteraturen, inkludert egenutviklede metoder for bonding.