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Polymerbasierte thermoelektrische Materialien und Module

Unter Thermoelektrizität versteht man die gegenseitige Abhängigkeit von Temperatur und Elektrizität. Werden unterschiedliche Temperaturen an die Enden eines elektrisch leitfähigen Materials angelegt, entsteht ein Potentialunterschied, der als Thermospannung definiert ist. Dieser Effekt wurde im Jahr 1823 erstmal durch den deutschen Physiker THOMAS JOHANN SEEBECK beschrieben. Für den Aufbau eines thermoelektrischen Moduls ist die Kombination aus n- und p-leitenden Materialien notwendig.

Der Fokus für thermoelektrische Untersuchungen liegt am IPF auf elektrisch leitfähigen thermoplastischen Polymerkompositen (CPC), es werden auch intrinsisch leitfähige Polymere (ICP) untersucht.

Dabei werden schmelze- oder lösungsmittelgemischte Komposite aus verschiedenen thermoplastischen Polymere und unterschiedlichen Kohlenstoffnanoröhren (einwandig, mehrwandig, Stickstoff-, Bor-dotiert) hergestellt und verschiedene Additive zugesetzt. Ziel ist es, sowohl n- als auch p-leitende Materialien zu erhalten, um thermoelektrische Module herstellen zu können. In den bisherigen Arbeiten konnten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für thermoelektrische Materialien aufgezeigt werden. So führt die Einarbeitung von Kohlenstoffnanoröhren mit n-leitendem Verhalten (z. Bsp. Stickstoffdotierte MWCNTs) immer zu n-leitenden Kompositen. Allerdings kann die Kombination von SWCNTs vom p-Typ insbesondere mit Stickstoff-haltigen Polymere zu Kompositen mit n-leitendem Verhalten führen.

Neben Kompositen basierend auf thermoplastischen Polymeren wurden auch Zellulose-basierte Komposite und darauf basierende Aerogele als thermoelektrische Materialien untersucht.

Zur Ermittlung der thermoelektrischen Eigenschaften wurde am IPF ein Messstand entwickelt. Neben der Thermospannung bei unterschiedlichen Temperaturdifferenzen kann auch der elektrische Widerstand und der Strom an den Proben gemessen werden. Die Messungen können zwischen Raumtemperatur und 110°C sowohl an festen Probekörpern als auch an Pulvern oder Flüssigkeiten durchgeführt werden.

 

Im EU-Projekt InComEss werden thermoelektrische Materialien entwickelt, um Energie für energieautarke IoT-Anwendungen wie z. B. Sensoren zur strukturellen Zustandsüberwachung zu erzeugen.