Nya tunnfilmsmaterial för energitillämpningar
- Diarienummer
- FFL12-0003
- Start- och slutdatum
- 140101-191231
- Beviljat belopp
- 9 838 867 kr
- Förvaltande organisation
- Linköping University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Syftet med denna ansökan är att konsolidera min forskargrupp och min ställning som en redan etablerad internationellt erkänd forskare i fältet nanostrukturerade tunna filmer som material för energi, och att lösa centrala utmaningar inom fältet avseende termoelektriska komponenter och som fasta elektrolyter i bränsleceller. Jag siktar på att exploatera min forskargrupps nya genombrott: upptäckten av de utmärkta termoelektriska egenskaperna hos skandiumnitridbaserade filmer och rumstemperaturestabilisering av delta-Bi2O3, som är den bästa existerande jonledaren men inte stabil i bulk. Fördjupade grundläggande och banbrytande studier behövs för att göra det möjligt att skräddarsy egenskaper i dessa system. Det föreslagna projektet har två arbetspaket: grundläggande forskning och utveckling av nya skandiumnitridbaserade termoelektriska filmer (WP1) och jonledare för fasta elektrolyter och barriärskikt i bränsleceller (WP2). Teoretiska beräkningar av bandstrukturer, dopning, vakansstabilisering och egenskaper är naturligt och iterativt integrerade i de experimentella arbetspaketen. Valet av ämnen är väl avvägt och täcker värdekedjan från ren grundläggande banbrytande forskning via tillämpad forskning till industrisamarbeten för kommersialisering.
Populärvetenskaplig beskrivning
Målet med det här projektet är en grundläggande vetenskaplig förståelse för spännande klasser av material som kan användas för effektivare energihushållning i samhället. De nya materialen vi är intresserade av är dels termoelektriska material och jonledande tunnfilmsmaterial för bränsleceller. Bränsleceller och termoelektriska material kan utgöra viktiga delar av framtidens energisystem och hjälpa till att lindra den globala uppvärmningen. Bränsleceller är effektiva och miljövänliga, och kan använda nästan alla sorters bränsle (t. ex. väte, etanol, biobränslen, och för den delen även fossila bränslen). Idag används ett oxidmaterial som s.k. elektrolyt, den viktigaste delen i bränslecellens design. Problemet är att bränslecellerna måste arbeta vid mycket hög temperatur (800 – 1000 °C) för att vara tillräckligt effektiva. De blir därför alltså dyra, komplicerade och svårhanterliga. Vi kommer att utveckla nya elektrolytmaterial med tunnfilmsteknik, vilket förhoppningsvis kan sänka arbetstemperaturen med flera hundra grader eller kanske till och med till rumstemperatur. ”Termoelektriska” material omvandlar värme (t. ex. spillvärme från motorer, datorer, eller kraftverk) till användbar elektricitet, och kan även användas för miljövänlig kylning. Det här är inte så lätt som det låter: det krävs en temperaturskillnad mellan materialets båda ändar. Med andra ord behövs en dålig värmeledare, men samtidigt måste det vara en god elektrisk ledare för att få ut någon ström. Normalt betyder god elektrisk ledning också god värmeledning. För att termoelektriska komponenter ska nå utbredd tillämpning bortom dagens nischmarknader, krävs banbrytande framsteg. Kvalitetsmåttet ZT = 4 anges ofta som mål, men ingen klar strategi finns för att uppnå detta med traditionella metoder. Vi kommer att utveckla en ny klass av termoelektriska material baserade på nitrider av övergångsmetaller, främst skandium, och sällsynta jordartsmetaller. Våra resultat visar att skandiumnitridfilmer har en anmärkningsvärt hög ZT som kan finjusteras genom dopning och legering. I våra nitridmaterial tänker vi lägga in lagrade strukturer som endast är tio miljarddels millimeter; vilket orsakar en kraftigt reducerad värmeledningsförmåga utan att nämnvärt påverka den elektriska ledningen. Om vi verkligen förstår och uppnår detta, kan vi utveckla och designa material som är tillräckligt effektiva för att användas i vardagslivet och industri som miljövänliga energikällor och för energiåtervinning.