Thermoelectric Silicides

Mer enn 60% av energien som produseres i verden i dag, forsvinner ut til omgivelsene som spillvarme. En mulig teknologi for å utnytte noe av denne spillvarmen er termoelektriske generatorer (TEG). Et TEG-system har ingen bevegelige deler, er vedlikeholdsfritt og kan, på grunn av dets modulære oppbygning, tilpasses de fleste spillvarmekilder uavhengig av størrelse. Kjernen i en TEG er et termoelektrisk materiale som omdanner en varmestrøm til elektrisk strøm. Jo høyere temperaturforskjell, desto mer elektrisitet blir generert. Imidlertid er i dag TEG en relativt kostbar teknologi, da det benyttes sjeldne, dyre og giftige materialer som dessuten kun tåler temperaturer opp til et par hundre grader. I dette prosjektet skal vi utvikle den neste generasjonen av termoelektriske materialer basert på rimelig og ufarlig silisium, som i forbindelse med andre stoffer danner silisider. Disse silisidene vil tåle høyere temperaturer enn dagens materialer, og vil dermed kunne omdanne varme mer effektivt til strøm. Målet med TESil har vært å demonstrere en fungerende TEG basert på silisider med betydelig lavere kostnad enn dagens etablerte TEG-teknologi. Ved å bygge på Elkems kunnskap innen produksjon av avanserte silisium-baserte materialer med svært lav energikost, ønsker vi å utvikle nye materialer og avanserte produksjonsprosesser tilpasset produksjon av termoelektriske silisider. TEGma vil behandle disse materialene videre for å integrere dem i TEG som kan brukes til blant annet spillvarmegjenvinning. Videre vil SINTEF, UiO og UiA bidra med modellering, karakterisering og måling av materialene for å oppnå høy effektivitet og holdbarhet over tid. En del av prosjektet har fokusert på å identifisere lovende silisider for termoelektriske anvendelser ved hjelp av teoretiske metoder. Dette var basert på grunnleggende, kvantemekaniske beregninger med utgangspunkt i forskjellige materialers kjemiske sammensetning og krystallstruktur. Mer enn 1000 forskjellige sammensetninger ble brukt som utgangpunkt, og fra disse ble rundt 30 forbindelser identifisert som lovende termoelektriske materialer. Blant dem er velkjente materialer som Mg2Si, MnSix og SiGe, men de aller fleste av disse materialene har aldri blitt rapportert i den termoelektriske litteraturen. Om resultatene fra de teoretiske beregningene lar seg reprodusere eksperimentelt, vil dette representere et signifikant steg i utviklingen av nye, termoelektriske materialer. Parallelt med dette har vi fremstilt «state-of-the-art» materialer som Mg2Si og MnSi1.75. Resultatene viser at vi med våre produksjonsmetoder, som lett lar seg oppskalere, oppnår omtrent samme termoelektriske egenskaper som publiserte verdier. Konsolidering av av disse pulvermaterialene til kompakte materialer med høy strukturell integritet er et viktig steg i fremstillingen av TEG. Dette har i prosjektet blitt gjort med teknikken "spark plasma sintering" (SPS), som er en hurtig og fleksibel metode som lar seg oppskalere til industriell skala. Parameterrommet til metoden har blitt optimert ved å bruke en Taguchi-matrise, som spenner ut et multidimensjonalt parameterrom med et minimalt antall eksperimenter. Dette har blitt brukt til å finne optimale prosessparametere og optimal sammensetning (inkludert doping) av materialene. Materialene som ble utviklet i prosjektet, ble til slutt brukt til å lage termoelektriske moduler. Sylindriske skiver fra sintringsprosessen ble saget opp til rettvinklete parallellepipeder som så ble montert sammen i termoelektriske moduler. Flere typer metallisering og bonding ble testet for å utvikle en velfungerende modul.

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.