Creation of High Performance Thermoelectric Materials by Synthesis of Novel Cobalt Layered Compounds with Low Thermal Conductivity and Its Sintering

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K14031
• Research Institution: Kanagawa Institute of Technology
• Principal Investigator: 茂野 交市 神奈川工科大学, 工学部, 教授 (60707131)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 熱電材料 / コバルト層状化合物 / 熱伝導率 / 電気伝導率 / セラミックス / 酸化剤 / 焼結

Outline of Annual Research Achievements

熱電モジュールは温度差を起電力に変換できる熱電材料等によって構成され、材料特性次第では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層状酸化物であるNaxCoO2 (x=0.80) 粉末 (以後NCOと略す)を出発物質とし、ソフト化学プロセスである酸化還元 (Redox) 法による層間距離の制御を検討した。その結果、出発物質よりも層間距離が狭い新規Co層状化合物の合成に成功しつつある。新規化合物を用いた成形体の熱伝導率は出発物質の約40 %の低い値であり熱電材料として有望であることを見出した。ただし新規化合物は熱安定性に問題があり、緻密に焼結しようとすると層状構造が崩壊する。そこで本研究の目的を「狭い層間距離を有する新規Co層状化合物の合成とその緻密化手法の確立」とした。
NCO粉末を出発物質とし、Redox法により合成した層間距離の狭いCo層状化合物粉末を低温で緻密化するための手法を模索した。その結果、粉末に水溶液を少量添加して加圧・加温する水熱ホットプレス法を用いることにより、上記化合物の崩壊が始まる300 ℃未満で、相対密度約80 %相当以上の緻密な焼結体が得られることを見出した。上記焼結体の熱電特性 (電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率) の評価を行ったが、電気伝導率は緻密化前よりも下がることが判明した。原因として、緻密化の際に析出する物質が緻密化前の化合物と異なっており、その電気伝導率が低いことが挙げられた。
総括として、本研究の水熱ホットプレス法がCo層状化合物の緻密化に有効であることを明らかにし、高性能熱電材料創製への足がかりが得られた。今後、緻密化条件の改良、あるいは他の層間距離を有するCo層状化合物を用いることで新たな材料開発につなげていきたいと考えている。