Die fortschreitende Entwicklung nachhaltiger und effizienter Energiequellen ist heute ein zentrales Anliegen der Forschung und Technik. In diesem Kontext gewinnen thermoelektrische Generatoren (TEGs) zunehmend an Bedeutung, da sie Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln können, ohne bewegliche Teile und mit hoher Zuverlässigkeit. Insbesondere die Forschung an flexiblen und robusten Materialien für TEGs verspricht Anwendungen in Bereichen wie Wearables, tragbaren Geräten oder Industrieanlagen. Ein neuer und vielversprechender Ansatz setzt auf Materialien basierend auf einer Kombination aus Carbon-Nanotubes (CNT) und Bi0. 45Sb1. 55Te3 (BST), die in Form eines porösen Schaums gefertigt werden. Dieser CNT/BiSbTe-Schaum zeichnet sich durch seine hohe thermolektrische Leistungsfähigkeit, mechanische Robustheit und Flexibilität aus, was neue Möglichkeiten für vielseitige und langlebige TEG-Anwendungen bietet.
Thermoelektrische Materialien wandeln ein Temperaturgefälle über den sogenannten Seebeck-Effekt in eine elektrische Spannung um. Die Effektivität eines Materials wird anhand der dimensionslosen Kennzahl zT bewertet, die von der elektrischen Leitfähigkeit, dem Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit abhängt. Ein hoher zT-Wert steht für eine gute Energieumwandlung. Während traditionelle anorganische Materialien wie Bi2Te3, SnSe und Ag2Se sehr effiziente TE-Eigenschaften besitzen, sind sie meist starr, schwer und kompliziert in der Verarbeitung, was ihre Integration in flexible Systeme erschwert. Auf der anderen Seite weisen organische Materialien und Carbon-Nanotubes aufgrund ihrer Leichtigkeit, Flexibilität und guten Prozessierbarkeit Vorteile auf, allerdings neigen sie zu höherem elektrischem Widerstand, niedrigerem Seebeck-Koeffizienten und schlechter mechanischer Stabilität.
Die Herausforderung besteht darin, die Vorteile beider Welten zu kombinieren, um ein Material zu schaffen, das sowohl hohe thermolektrische Leistung als auch Robustheit bietet. Der innovative Ansatz, einen hybrid aus CNT- und Bi0. 55Te3-Partikeln als dreidimensionalen porösen Schaum zu erstellen, ist wegweisend. Durch ein einfaches und schnelles Verfahren der Lösungsmittelverdampfung wird ein leichter, aber dennoch mechanisch belastbarer Schaum erzeugt, in dem unter submikroskopischer Struktur die anorganischen BST-Particles ein elektrisches Netzwerk innerhalb des CNT-Gerüsts bilden. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit und der Seebeck-Koeffizient signifikant gesteigert, ohne die thermische Leitfähigkeit stark zu erhöhen. Das Material zeigt einen gemessenen zT-Wert von etwa 0,0078 bei Raumtemperatur, was mehr als das fünffache des Werts reinem CNT-Schaums entspricht.
Dieser Wert ist zwar noch unter kommerziellen BiTe-Bauteilen, stellt aber einen entscheidenden Fortschritt in der Kombination von Flexibilität, Robustheit und Leistung dar. Insbesondere weist der Schaum eine thermische Leitfähigkeit von unter 1 W/mK auf, was durch die poröse Struktur begünstigt wird, da die zahlreichen Grenzflächen und Poren für eine starke Phononstreuung sorgen. Mechanisch ist der CNT/BST-Schaum bemerkenswert robust und flexibel. Er widersteht selbst intensiven Belastungen über zehntausend Biegezyklen nahezu ohne signifikanten Anstieg seines elektrischen Widerstands, was für Anwendungen in flexiblen Thermoelektrikern enorm wichtig ist. Die Kombination von CNTs und den winzigen BST-Teilchen verstärkt das Material durch starke Haftkraft zwischen den Komponenten, was die mechanische Struktur stabilisiert und zusammenhält. Ein besonderer Vorteil des neuen Schaums ist seine Formbarkeit.
Er lässt sich in konkave Formen pressen und auf unregelmäßig geformte Oberflächen wie zylindrische Glasröhren anbringen. Solche konform anliegende TEGs erzielen höhere Temperaturdifferenzen und damit bessere Spannungs- bzw. Leistungsausbeuten, da der Wärmeübergang zwischen Oberfläche und thermoelektrischem Material verbessert wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Einsatz bei sensiblen Temperaturmesstechnologien oder in Anwendungsfällen mit gekrümmten Wärmeerzeugern. Für den Aufbau eines kompletten thermoelektrischen Generators wurden sowohl p-Typ-CNT/BST-Schaumkomponenten als auch n-Typ-CNT/Ag2Se-Schaumkomponenten verwendet. Die resultierende vertikale TEG-Anordnung erzielte bei einer Temperaturdifferenz von knapp 22 Kelvin eine Leistung von rund 16 Mikrowatt bei einem internen Widerstand von etwa 12 Ohm.
Obwohl die Ausgangsleistung im Vergleich zu herkömmlichen starren BiTe-basierten TEGs geringer ist, übertrifft sie deutlich vergleichbare organisch-anorganische Hybridmaterialsysteme, insbesondere aufgrund der verbesserten Stabilität und Flexibilität. Die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften wurde durch eine milde Wärmebehandlung bei 300 °C erreicht, welche eine verbesserte Kristallstrukturbildung in den BST-Partikeln begünstigt und eine Reduktion von Oberflächenoxiden bewirkt. Diese Verbesserung des Materials führt zu stärkeren Verbindungen zwischen CNT und BST, was sowohl den elektrischen Transport als auch die mechanische Stabilität erhöht. Gleichzeitig bleibt die poröse Struktur erhalten, die für die niedrige thermische Leitfähigkeit ausschlaggebend ist. Die Erforschung von hybriden 3D-porösen TE-Materialien steht vor der Herausforderung, die oft gegensätzlichen Anforderungen an hohe thermolektrische Effizienz und mechanische Stabilität zu vereinen.
Hierbei stellt der vorgestellte CNT/BST-Schaum einen wertvollen Fortschritt dar, indem er die positiven Eigenschaften der einzelnen Komponenten kombiniert. Die Carbon-Nanotubes bilden ein flexibles, leitfähiges Gerüst mit vielen Netzwerkkontakten, während die BiSbTe-Partikel als leistungsfähige thermoelementarische Phasen eingebettet sind und die elektronische Leitfähigkeit und den Seebeck-Koeffizienten nachhaltig verbessern. Praktisch profitieren flexible TEGs aus diesem Material von der besseren Haltbarkeit selbst bei wiederholtem Biegen und Verformen, während gleichzeitig vergleichsweise brauchbare Leistungswerte erzielt werden. Die robusten mechanischen Eigenschaften des Materials eröffnen dadurch neue Anwendungsbereiche in tragbaren und beweglichen Systemen, die mit starren anorganischen Materialien nicht möglich wären. Anwendungen reichen von Körpertemperatur-Energieumwandlung bis hin zu industriellen Abwärme- oder Umweltüberwachungen.
Trotz dieser Vorteile ist der zT-Wert bei diesem Hybridmaterial noch verbesserungswürdig. Durch gezieltes Dotieren der BiSbTe-Partikel und Optimierung der Grenzflächen zwischen CNT und anorganischem Material könnte die elektrische Leitfähigkeit verbessert und die Energieumwandlungseffizienz gesteigert werden. Ebenso könnten verbesserte Herstellungsverfahren die Struktur homogener und die Verbindung zwischen den Phasen optimieren, um Verluste zu minimieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der innovative Carbon-Nanotube/BiSbTe-Schaum neue Perspektiven für flexible und robuste thermoelektrische Generatoren bietet. Durch die Verbindung höchster mechanischer Belastbarkeit mit verbesserten thermoelektrischen Eigenschaften stellt er eine attraktive Plattform für die Entwicklung nachhaltiger und vielseitiger Energiewandler dar.
Anpassungsfähige Formgebung, zuverlässige Langzeitperformance und die Möglichkeit, auch in unregelmäßig geformten Systemen eingesetzt zu werden, unterstreichen das Potenzial dieses Materials in modernen Elektronik- und Energietechnologien. Die weitere Erforschung im Bereich der Materialoptimierung und Prozessentwicklung wird mit hoher Wahrscheinlichkeit zukünftig den Anteil thermoelektrischer Systeme im Energiemix weiter steigern und neue Anwendungen ermöglichen.
