Establishment of HHP sintering technology for enabling densification of heat-unstable cobalt compounds and applications to thermoelectric materials

建立HHP烧结技术以实现热不稳定钴化合物的致密化及其在热电材料中的应用

• 批准号: 21K04715
• 负责人: 茂野 交市
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Kanagawa Institute of Technology (2022)Ube National College of Technology (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04715/
• 关键词: 熱電材料; コバルト層状化合物; 水熱ホットプレス; 酸化剤; セラミックス

熱電材料は温度差を起電力に変換できるため、高性能な材料の開発が実現できればクリーンな新エネルギー源として太陽電池を凌ぐ出力密度のポテンシャルを有する。我々は最近、セラミック系熱電材料では最高レベルの性能を持つCo層状化合物であるNaxCoO2(x=0.80)粉末(以後NCOと略す)を出発物質とし、酸化還元(Redox)法により種々の層間距離を有する化合物粉末の合成に成功した。そして、層間距離の広い化合物粉末をプレスして作製した成形体の熱電特性が出発物質をはるかに超える値であることを見出した。もし、上記粉末を緻密化できれば高性能熱電材料として有望である。しかしながら、これらの化合物は熱安定性に難がある。すなわち、通常の電気炉で緻密に焼結しようとすると900 ℃以上の高温が必要となり層状構造が崩壊してしまう。そこで種々の方法を模索した結果、粉末に水溶液を少量添加して加圧・300 ℃未満で加温するHHP(水熱ホットプレス)法に効果のあることを見出した。従って、本研究の目的を「HHP焼結を用いた熱安定性のないCo層状化合物粉末の緻密化手法の確立と高性能熱電材料の創成」とした。今年度は上記Co層状化合物粉末を用い、HHP焼結の条件(圧力・保持時間)を簡易検討した。その結果、圧力の影響をより大きく受ける、つまり、高圧力であるほど緻密化は進むことが示唆された。ただし、プレスの際の装置の耐圧には制限がある。来年度は、高圧力の印加が可能な装置を用いた本格的な検討を行う予定である。

由于热电材料可以将温度差异转化为电动力，如果可以开发出高性能的材料，则有可能超过太阳能电池的功率密度作为清洁的新能源。最近，我们使用NaxCoo2（x = 0.80）粉末（以下称为NCO）成功合成了具有各种层间距离的化合物粉末，这是一种CO层状化合物，在陶瓷热电学材料中具有最高水平的性能，作为起始材料，以及使用Redox方法。然后发现，通过按层间间距离宽的化合物粉末所产生的模制材料的热电性能远大于起始材料的热粉。如果粉末可以致密，则可以作为高性能热电材料有望。但是，这些化合物在热稳定性方面存在困难。换句话说，当试图将常规的电炉密集地烧结时，需要900°C或更高的高温，从而导致分层结构的崩溃。因此，寻求各种方法，并发现HHP（热液热按压）方法，其中将少量的水溶液添加到粉末中，HHP（HHP（Hyprothermal Hot Press）方法在低于300°C的压力下加热它有效。因此，这项研究的目的是“建立一种致密CO层状化合物粉末的方法，这些粉末不使用HHP烧结并创建高性能热电材料。”今年，我们使用上述CO层次化合物粉末来简化HHP烧结的条件（压力和保留时间）。结果，有人提出压力越多，即压力越高，致密化越多。但是，在按压期间，设备的压力阻力有限制。明年，我们计划使用可以施加高压的设备进行全面调查。

项目成果

コバルト酸ナトリウムへの酸化剤の添加による種々の層間距離を有するコバルト層状化合物粉末の合成と熱電特性

钴酸钠中添加氧化剂不同层距钴层状化合物粉末的合成及热电性能

• 发表时间: 2023
• 作者: 茂野交市;日下涼;白川典輝;藤森宏高
• 通讯作者: 藤森宏高

過硫酸アンモニウムの添加によるコバルト層状化合物の層間距離の変遷

过硫酸铵的添加导致钴层状化合物层间距的变化

• 发表时间: 2022
• 作者: 山本皓介;茂野交市
• 通讯作者: 茂野交市