制备ZrNiSn块体热电材料的方法和电池技术

本发明专利技术涉及材料领域，公开了制备ZrNiSn块体热电材料的方法和电池。该方法包括：(1)将Zr粉、Ni粉和Sn粉混合，以得到金属混合物；(2)将所述金属混合物装入导电模具中，并对所述导电模具通电，以电流诱发自蔓延反应；(3)进一步对所述导电模具通电，加热所述金属混合物，并加载轴向压力，以得到致密的ZrNiSn块体热电材料。该方法原料来源丰富、价格低廉，并且制备时间超短、工艺简单、能耗低及性能优越，适合规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
制备ZrNiSn块体热电材料的方法和电池
本专利技术涉及材料领域，具体涉及制备ZrNiSn块体热电材料的方法和电池。
技术介绍
近十几年来，人口急速膨胀，工业迅猛发展，能源和环境问题已经逐渐凸显，能源危机和环境危机日益引发关注。目前，全球每年消耗的能源中约有70％以废热的形式被浪费掉，如果能将这些废热进行有效的回收利用，将极大的缓解能源短缺的问题。热电材料能直接将热能转换成电能，具有无传动部件、体积小、无噪音、无污染、可靠性好等优点，在汽车废热回收利用、工业余热发电方面有着巨大的应用前景。热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT(ZT＝α2σT/κ其中α为Seebeck系数、σ为电导率、κ为热导率、T为绝对温度)决定。ZT越大，材料的热电转换效率越高。目前研究较多的高性能热电材料一般是Te基的，如PbTe和Bi2Te3。Te元素在地球中的储量稀少、价格昂贵，同时它也是太阳能电池的主要组成元素，这些因素都极大地制约着Te基热电材料的大规模商业化应用和可持续性发展。因此开发储量丰富、价格低廉的高性能热电材料具有重要意义。ZrNiSn基化合物及固溶体是Half-Heusler化合物家族中热电性能最优越的。但是其目前的合成方法很苛刻，主要采用高温长时间固相反应、悬浮熔炼结合放电等离子烧结、电弧熔炼结合热压烧结等方法，但高温稳定的固相反应炉，悬浮熔炼，电弧熔炼，这些设备都很贵。另外，需要将材料合成与致密化分开，过程繁琐复杂，需要消耗较多的能源，且所得的热电材料的热电性能和致密性欠佳，同时对设备的要求极高。因此，开发简单快捷、经济环保的制备技术对于ZrNiSn体系具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的反应过程繁琐、能耗大、设备要求高及所得的热电材料的热电性能和致密性欠佳的技术问题，提供制备ZrNiSn块体热电材料的方法和电池。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种制备ZrNiSn块体热电材料的方法，该方法包括：(1)将Zr粉、Ni粉和Sn粉混合，以得到金属混合物；(2)将所述金属混合物装入导电模具中，并对所述导电模具通电，以电流诱发自蔓延反应；(3)进一步对所述导电模具通电，加热所述金属混合物，并加载轴向压力，以得到致密的ZrNiSn块体热电材料。本专利技术第二方面提供一种电池，该电池含有采用上述的方法制备得到的ZrNiSn块体热电材料。本专利技术提供的制备ZrNiSn块体热电材料的方法，该方法利用电流激发ZrNiSn的自蔓延反应，再利用电流的加热效应，辅助轴向压力，可一步快速制备得到高性能ZrNiSn块体热电材料，且所得的热电材料的热电性能和致密性较好，另外，采用Zr粉、Ni粉、Sn粉为原料，来源丰富、价格低廉，并且制备时间超短、工艺简单、能耗低及性能优越，适合规模化生产。附图说明图1是本专利技术实施例1所得的ZrNiSn块体热电材料的X-射线衍射图。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术一方面提供一种制备ZrNiSn块体热电材料的方法，该方法包括：(1)将Zr粉、Ni粉和Sn粉混合，以得到金属混合物；(2)将所述金属混合物装入导电模具中，并对所述导电模具通电，以电流诱发自蔓延反应；(3)进一步对所述导电模具通电，加热所述金属混合物，并加载轴向压力，以得到致密的ZrNiSn块体热电材料。在本专利技术的一些实施方式中，热电材料特别重要的参数是电导率，而电导率直接取决于载流子浓度及迁移率，而成分的控制直接影响载流子浓度，进而影响材料的电导率。因此，为获得热电材料较好的电导率，优选地，所述Zr粉、所述Ni粉和所述Sn粉的用量使得以Zr计的所述Zr粉、以Ni计的所述Ni粉和以Sn计的所述Sn粉的摩尔比为1：0.95-1.05：0.95-1.05。在本专利技术的一些实施方式中，对所述导电模具的类别不做限制，只要能够起到导电的效果即可，优选地，所述导电模具选自石墨模具或钢制模具。在本专利技术的一些实施方式中，为控制自蔓延反应产物的成份。所述自蔓延反应时的电流为50-100A，时间为30-60s。在本专利技术的一些实施方式中，为了保证最终产物能够实现致密化，在步骤(3)中，所述金属混合物的温度为900-1050℃。在本专利技术的一些实施方式中，在步骤(3)的致密化过程中，除了要提供高温条件外，还需要辅助压力，这样才能够加速内部气泡的溢出，促进材料的致密化，其中，轴向压力是指石墨模具的轴向压力。优选地，所述轴向压力为30-50MPa。在本专利技术的一些实施方式中，优选地，所述加载轴向压力的时间为5-20min。在本专利技术的一些实施方式中，步骤(2)和步骤(3)在真空或非活性气体中进行，具体地，非活性气体可以为现有的各种不与原料和产物发生反应的气体或气体混合物，例如可以为氮气或元素周期表中第零族元素气体中的至少一种，从经济性角度出发，非活性气体优选由氮气提供。本专利技术第二方面提供一种电池，该电池含有采用上述的方法制备得到的ZrNiSn块体热电材料。本专利技术中，压力均指表压。以下将通过实施例对本专利技术进行详细描述。实施例1(1)称取5g的摩尔比为1：1：1的Zr粉、Ni粉、Sn粉作为原料，混合均匀得到反应物；(2)将步骤(1)所得反应物装入石墨模具中，并对其通电，电流大小为70A，时间为45s，诱发自蔓延反应；(3)进一步对反应混合物通电，使温度上升至1000℃，同时加载轴向压力40MPa，15min后停止通电，并撤掉轴向压力，得到ZrNiSn块体热电材料。实施例2(1)称取5g的摩尔比为1：0.98：1.03的Zr粉、Ni粉、Sn粉作为原料，混合均匀得到反应物；(2)将步骤(1)所得反应物装入石墨模具中，并对其通电，电流大小为50A，时间为60s，诱发自蔓延反应；(3)进一步对反应混合物通电，使温度上升至900℃，同时加载轴向压力30MPa，20min后停止通电，并撤掉轴向压力，得到ZrNiSn块体热电材料。实施例3(1)称取5g的摩尔比为1：1.02：0.97的Zr粉、Ni粉、Sn粉作为原料，混合均匀得到反应物；(2)将步骤(1)所得反应物装入石墨模具中，并对其通电，电流大小为100A，时间为30s，诱发自蔓延反应；(3)进一步对反应混合物通电，使温度上升至1050℃，同时加载轴向压力50MPa，5min后停止通电，并撤掉轴向压力，得到ZrNiSn块体热电材料。对比例1(1)按化学计量比1:1:1称量Zr粉、Ni粉、Sn粉作为原料；(2)将原料在Ar气氛下感应熔炼2min，重复3遍；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备ZrNiSn块体热电材料的方法，其特征在于，该方法包括：/n(1)将Zr粉、Ni粉和Sn粉混合，以得到金属混合物；/n(2)将所述金属混合物装入导电模具中，并对所述导电模具通电，以电流诱发自蔓延反应；/n(3)进一步对所述导电模具通电，加热所述金属混合物，并加载轴向压力，以得到致密的ZrNiSn块体热电材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备ZrNiSn块体热电材料的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)将Zr粉、Ni粉和Sn粉混合，以得到金属混合物；
(2)将所述金属混合物装入导电模具中，并对所述导电模具通电，以电流诱发自蔓延反应；
(3)进一步对所述导电模具通电，加热所述金属混合物，并加载轴向压力，以得到致密的ZrNiSn块体热电材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述Zr粉、所述Ni粉和所述Sn粉的用量使得以Zr计的所述Zr粉、以Ni计的所述Ni粉和以Sn计的所述Sn粉的摩尔比为1：0.95-1.05：0.95-1.05。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述导电模具选自石墨模具或钢制模具。


4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述自蔓延...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕宁，赵东艳，周芝梅，付振，郁文，王峥，王帅鹏，钟明琛，周敏，
申请(专利权)人：北京芯可鉴科技有限公司，北京智芯微电子科技有限公司，国网信息通信产业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11