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産総研と九大など、高い熱電性能が得られるタイプの大振幅原子振動(ラットリング)を提案

2018/2/1 20:00
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発表日:2018年2月1日

高効率な熱電変換を可能にする新しいタイプの大振幅原子振動

-新規熱電材料の新しい設計指針を提案-

■ポイント■

・高い熱電性能が得られる新しいタイプの大振幅原子振動(ラットリング)を提案

・新規提案の平面ラットリングが出現する原因を解明

・熱電材料探索の対象物質が飛躍的に増え、より高性能な新熱電材料の発見につながると期待

■概要■

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)省エネルギー研究部門【研究部門長 宗像 鉄雄】熱電変換グループ 李 哲虎 主任研究員と、国立大学法人 九州大学【総長 久保 千春】(以下「九大」という) 大学院総合理工学研究院 末國 晃一郎 准教授らは共同で、新規高性能熱電材料の新しい設計指針を提案した。

熱電発電では熱の流れの一部を電気の流れに変換して発電する。高い熱電性能を得るには高い電気伝導率と低い熱伝導率を併せ持つ必要がある。これらは一般に相反する性質であるが、両立させるには、原子の大振幅振動(ラットリング)が有効であることが知られていた。しかし、これまでラットリングは原子がかご中に取り込まれた構造を持つカゴ状物質でのみ生じると考えられており、ラットリングによる熱電性能向上を期待できる材料系は限られていた。

一方、本研究グループは、これまでにカゴ状構造を持たないテトラヘドライトでもラットリングが生じていることを発見していたが、その原因解明が課題となっていた。今回、このテトラヘドライトを詳細に調べ、カゴ状構造がなくても平面配位構造がラットリングを誘起しうることや、その原因を明らかにした。この成果は熱電材料探索の範囲を飛躍的に広げ、より高い熱電性能を持つ新材料の創製に資すると期待される。

この成果の詳細は、2018年2月1日(現地時間)にAdvanced Materials(アドバンストマテリアルズ)にオンライン掲載される。

___は【用語の説明】参照

※参考画像は添付の関連資料を参照

■開発の社会的背景■

再生可能エネルギーの大量導入時代を見据えて、光・熱・振動などを利用する発電技術の研究開発が盛んに行われている。その一つである熱電発電は、熱電材料(固体)を用いて自然熱や未利用廃熱、分散した微小熱を電力として回収する技術であり、省スペース・無振動・長寿命などの長所がある。高効率な熱電発電には、ゼーベック係数が大きく、電気伝導率は高いが熱伝導率は低い材料が必要で、その候補としてカゴ状構造を持つtype-1クラスレート化合物や充填スクッテルダイト化合物などが知られている。これらの材料では、カゴ内原子のラットリングにより格子振動が乱されるため熱伝導率が低い。これまで、このラットリングの活用が高性能な熱電材料の開発指針の一つとされてきた。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

参考画像

http://release.nikkei.co.jp/attach_file/0470063_01.JPG

添付リリース

http://release.nikkei.co.jp/attach_file/0470063_02.pdf

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