Nieuwe 3D-printtechnologie verhoogt efficiëntie van thermo-elektrische materialen

Thermo-elektrische materialen kunnen temperatuurverschillen omzetten in elektrische spanning en andersom. Zij kunnen onder meer gebruikt worden voor energieopwekkend, koeling en verwarming. De productie van thermo-elektrische materialen is echter vaak kostbaar. Een nieuwe 3D-printtechnologie ontwikkeld door onderzoekers van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) maakt het mogelijk deze kosten aanzienlijk terug te dringen.

Thermo-elektrische koelers zijn onder meer inzetbaar voor lokale koeling. De koelers maken gebruik van het Peltier-element, een elektrisch component dat gebruikt kan worden om warmte verplaatsen van een koude naar een warmte plek of om stroom op te wekken uit temperatuur verschil. De apparaten kennen daarbij een lange levensduur, zijn goed bestand tegen lekkages, zijn aanpasbaar in vorm en formaat, en bevatten geen bewegende onderdelen. Dit maakt hen bij uitstek geschikt voor uiteenlopende koeltoepassingen, zoals in elektronica.

Duur productieproces met veel materiaalverlies

Nieuw zijn thermo-elektrische koelers niet. De koelers worden in de praktijk vervaardigd uit metaal. Het productieproces is niet alleen duur, maar leidt ook tot veel materiaalverlies. Tegelijkertijd zijn de prestaties van de koelers in de praktijk beperkt.

Een technologie ontwikkeld door Maria Ibáñez, Verbund-hoogleraar Energie Wetenschappen en hoofd van het Werner Siemens Thermoelectric Laboratory, en postdoc Shengduo Xu bij ISTA biedt uitkomst. De techniek maakt het mogelijk hoogwaardige thermo-elektrische materialen met behulp van een 3D-printer te printen voor het realiseren van een thermo-elektrische koeler.

Hogere efficiëntie en lagere kosten

“Onze innovatieve integratie van 3D-printen in de productie van thermo-elektrische koelers verbetert de efficiëntie van de productie aanzienlijk en verlaagt de kosten,” zegt Xu. In tegenstelling tot eerdere pogingen om thermo-elektrische materialen te 3D-printen, levert de methode ontwikkeld door ISTA materialen op met een veel hogere prestatie. Professor Ibáñez voegt toe: “Met een commercieel niveau van prestaties heeft ons werk het potentieel om verder te reiken dan de academische wereld en relevante toepassingen te vinden in de industrie.”

Ibáñez: “Met een commercieel niveau van prestaties heeft ons werk het potentieel om verder te reiken dan de academische wereld en relevante toepassingen te vinden in de industrie.”

Gedegenereerde halfgeleiders

De onderzoekers wijzen erop dat alle materialen een zekere mate van thermo-elektrisch effect vertonen. Dit effect is vaak echter te gering om in de praktijk bruikbaar te zijn. Veel materialen die wel voldoende thermo-elektrisch effect bieden zijn doorgaans zogeheten ‘gedegenereerde halfgeleiders’. Dit zijn halfgeleiders waaraan opzettelijk onzuiverheden zijn toegevoegd om ze zich als geleiders te laten gedragen.

Huidige geavanceerde thermo-elektrische koelers worden geproduceerd met ingot-gebaseerde technieken. Dit zijn kostbare en daarnaast energie-intensieve productieprocessen. Deze methoden vereisen na de productie uitgebreide bewerkingsprocessen, waarbij veel materiaal verloren gaat.

De benodigde vorm printen

“Met ons werk kunnen we precies de benodigde vorm van thermo-elektrische materialen 3D-printen. Bovendien vertonen de resulterende apparaten een netto koeleffect van 50 graden in de lucht. Dit betekent dat onze 3D-geprinte materialen vergelijkbaar presteren met materialen die aanzienlijk duurder zijn om te vervaardigen”, legt Xu uit.

Het team verwacht met hun 3D-printtechnologie een schaalbaar en kostenefficiënte productiemethode te kunnen bieden, die minder energie-intensief is en daarnaast tijd bespaart.

Speciale inkt

Het team maakt gebruik van speciaal ontwikkelde inkt. Zodra het oplosmiddel in deze inkt verdampt, ontstaan er sterke atomaire verbindingen tussen de deeltjes. Dit creëert een materiaalnetwerk met stevige chemische bindingen, wat de overdracht van de lading tussen deeltjes verbetert. De bindingen helpen met het verbeteren van de thermo-elektrische prestaties.

“We hebben een extrusie-gebaseerde 3D-printtechniek toegepast en de inkt zo geformuleerd dat de structuur van het geprinte materiaal intact blijft en de binding tussen de deeltjes wordt versterkt. Dit stelde ons in staat om voor het eerst thermo-elektrische koelers te produceren uit geprinte materialen met prestaties die vergelijkbaar zijn met ingot-gebaseerde apparaten, terwijl we materiaal en energie besparen”, zegt Ibáñez.

Samenstelling van de inkt aanpassen

Het team meldt dat de samenstelling van de inkt kan worden aangepast voor andere materialen, bijvoorbeeld voor thermo-elektrische generatoren op hoge temperaturen. Dit zijn apparaten die elektriciteit kunnen genereren uit temperatuurverschillen. De onderzoekers hopen zo de toepasbaarheid van thermo-elektrische generatoren in energieterugwinning te kunnen vergroten.

“We hebben een volledige cyclus succesvol doorlopen, van het optimaliseren van de thermo-elektrische prestaties van de grondstoffen tot het vervaardigen van een stabiel en hoogwaardig eindproduct,” zegt Ibáñez. Xu voegt toe: “Ons werk biedt een baanbrekende oplossing voor de productie van thermo-elektrische apparaten en markeert het begin van een nieuw tijdperk van efficiënte en duurzame thermo-elektrische technologieën.”

Auteur: Wouter Hoeffnagel