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JP2002280623A - Method for manufacturing oxide thermoelectric material - Google Patents

Method for manufacturing oxide thermoelectric material

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Publication number
JP2002280623A
JP2002280623A JP2001078030A JP2001078030A JP2002280623A JP 2002280623 A JP2002280623 A JP 2002280623A JP 2001078030 A JP2001078030 A JP 2001078030A JP 2001078030 A JP2001078030 A JP 2001078030A JP 2002280623 A JP2002280623 A JP 2002280623A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric material
ion
oxide thermoelectric
complex
producing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001078030A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuhiro Ono
泰弘 小野
Yuzuru Miyazaki
譲 宮崎
Takeshi Kajitani
剛 梶谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku Techno Arch Co Ltd
Original Assignee
Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku Techno Arch Co Ltd filed Critical Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority to JP2001078030A priority Critical patent/JP2002280623A/en
Publication of JP2002280623A publication Critical patent/JP2002280623A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide thermoelectric material having a larger output factor. SOLUTION: A method for manufacturing an oxide thermoelectric material represented by a compositional formula Nax-y Ay CoO2 +d [0.6<x<=1.0, 0<=y<0.28, -0.4<d<=0], where A in the formula is at least one kind selected from Mg, Ca, Sr, Li or K and one kind of rare-earth elements. The method comprises at least a mixing step of uniformly mixing a complex of the A ion with a complex of Na ion and a complex of Co ion so that the ratio of the A ion, an Na ion and a Co ion in a solution has a prescribed value within the above range, a gelling step of adding a polyhydric alcohol to the solution obtained by the mixing step and heating the solution to gel it, a thermal decomposition step of heating the obtained gel to decompose an unrequired organic compound in the gel, and a baking step of baking the material after the thermal decomposition step in an oxidized atmosphere at a prescribed temperature.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術の分野】本発明は、熱を直接電気エ
ネルギーに変換可能な熱電変換材料、特には実用温度領
域においてより高い熱電変換特性を有する酸化物熱電材
料の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric conversion material capable of directly converting heat into electric energy, and more particularly to a method for producing an oxide thermoelectric material having higher thermoelectric conversion characteristics in a practical temperature range.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電変換は、熱エネルギーと電気エネル
ギーを直接的に変換する技術であり、途中に摺動部分が
介在しないために摩擦による変換損失等が無く、高い変
換効率が得られるとともに静粛性にも優れている。
2. Description of the Related Art Thermoelectric conversion is a technique for directly converting heat energy and electric energy. Since there is no sliding part in the middle, there is no conversion loss due to friction, so that high conversion efficiency can be obtained and quiet. Also excellent in nature.

【0003】この技術の基本となる物理現象は、ゼーベ
ック効果すなわち異種物質を接触させて、その接合部に
温度差を与えると、両端に熱起電力が発生する現象によ
っている。従ってこの接合外部に負荷を接続することに
より、回路に電流が流れ、電力として取り出すことが可
能である。この技術は、炉の廃熱を利用した発電機や宇
宙用・軍事用の電源として一部実用化されている。
The basic physical phenomenon of this technology is based on the Seebeck effect, that is, a phenomenon in which when different materials are brought into contact with each other and a temperature difference is applied to a junction thereof, a thermoelectromotive force is generated at both ends. Therefore, by connecting a load to the outside of the junction, a current flows through the circuit, and it is possible to extract the electric power. This technology has been put to practical use as a generator using waste heat from a furnace or as a power source for space and military use.

【0004】一方、ゼーベック効果の逆現象として、異
種物質の接合部に電流を流すと、一端が加熱され、他端
が冷却されるペルチェ効果がある。この効果を利用する
と、素子に流す電力を調整して物質を一定温度に加熱あ
るいは冷却する温度制御器として応用することが可能で
あり、既にコンピュータのCPU用の素子として実用化
されている。熱電変換素子は、これら可逆的なゼーベッ
ク効果とペルチェ効果を利用した素子である。
On the other hand, as a reverse phenomenon of the Seebeck effect, there is a Peltier effect in which when an electric current is applied to a junction of different materials, one end is heated and the other end is cooled. If this effect is used, it can be applied as a temperature controller for heating or cooling a substance to a constant temperature by adjusting the power supplied to the element, and has already been put to practical use as an element for a CPU of a computer. The thermoelectric conversion element is an element utilizing these reversible Seebeck effect and Peltier effect.

【0005】現在最も実用化されている熱電変換素子
は、BiTe系化合物半導体を基本とし、この化合
物に部分的にSb等を固溶させてp型及びn型素子を作
り、これらを接合させて形成された「pn接合」から成
っている。BiTe系化合物半導体は、実用温度領
域である室温付近で優れた熱電変換特性を有するもの
の、温度の上昇と共に、蒸気圧の高いBiの揮発による
組成の変化等が生じ、中高温の温度領域ではその特性が
急速に劣化する。一般に大きな電力を取り出すために
は、材料を高温で使用することが要求されるため、高温
においても優れた熱電変換特性を維持できる材料の出現
が望まれていた。
The most practical thermoelectric conversion element at present is based on a Bi 2 Te 3 -based compound semiconductor, and Sb or the like is partially dissolved in this compound to form p-type and n-type elements. It consists of a "pn junction" formed by joining. Bi 2 Te 3 -based compound semiconductors have excellent thermoelectric conversion characteristics near room temperature, which is a practical temperature range. However, as the temperature rises, the composition changes due to the volatilization of Bi having a high vapor pressure, and the like. In the region, its characteristics deteriorate rapidly. In general, in order to extract a large amount of electric power, it is required to use a material at a high temperature. Therefore, the emergence of a material capable of maintaining excellent thermoelectric conversion characteristics even at a high temperature has been desired.

【0006】こうした中で最近、Coを含む酸化物で高
温まで優れた熱電変換特性を有する化合物が発見され
た。その化学式はNa0.5CoOで表され、室温近
傍で約100μV/Kという高いゼーベック係数と、約
5000Scm-1という高い導電率とを併せ持ち、その
熱電特性は従来のBiTe系化合物半導体のそれに
匹敵すると報告されている。
[0006] Under these circumstances, a compound containing Co and having excellent thermoelectric conversion characteristics up to a high temperature has recently been discovered. Its chemical formula is represented by Na 0.5 CoO 2 , and has a high Seebeck coefficient of about 100 μV / K near room temperature and a high conductivity of about 5000 Scm −1 , and its thermoelectric property is a conventional Bi 2 Te 3 type compound. It is reported to be comparable to that of semiconductors.

【0007】これら熱電材料の熱電変換特性は、一般に
ゼーベック係数α、導電率σ、熱伝導率κの3つのパラ
メーターを用いて以下の(1)式で表される性能指数Z
によって定義される。 Z= ασ/κ……………(1) 上記の(1)式から分かるように、性能指数Zを高める
ためには、ゼーベック係数αおよび導電率σを大きくし
て出力因子P=ασを高め、かつ熱伝導率κを小さく
することが望まれる。このうちゼーベック係数αは、そ
の大きさの二乗が性能指数Zの大きさに寄与するため、
3つパラメーターの中でも最も重要なパラメーターであ
る。しかしこれらのパラメーターは半導体中におけるキ
ャリア濃度の関数であり、相互に関連しているため、従
来のバンド理論の枠組では、高いゼーベック係数と高い
導電率という相反する性質を有することは不可能で、予
想されるZの値には上限があると考えられていた。
The thermoelectric conversion characteristics of these thermoelectric materials are generally expressed by a performance index Z expressed by the following equation (1) using three parameters of Seebeck coefficient α, conductivity σ, and thermal conductivity κ.
Defined by Z = α 2 σ / κ (1) As can be seen from the above equation (1), in order to increase the figure of merit Z, the Seebeck coefficient α and the conductivity σ are increased and the output factor P = It is desired to increase α 2 σ and reduce the thermal conductivity κ. Among them, the Seebeck coefficient α is the square of its magnitude, which contributes to the magnitude of the figure of merit Z,
It is the most important of the three parameters. However, since these parameters are a function of the carrier concentration in the semiconductor and are interrelated, it is not possible to have the contradictory properties of high Seebeck coefficient and high conductivity in the conventional band theory framework, It was believed that the expected Z value had an upper limit.

【0008】しかしながら、これに反して前述のNa
0.5CoOは高いゼーベック係数と金属的な高い導
電率とを併せ持つことから、これまでのバンド理論では
説明できない新しい電子構造を有する次世代の熱電材料
として注目されるに至っている。
However, on the other hand, the aforementioned Na
Since 0.5 CoO 2 has both a high Seebeck coefficient and a high metallic conductivity, it has attracted attention as a next-generation thermoelectric material having a new electronic structure that cannot be explained by the conventional band theory.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】これらNa0.5Co
に代表される酸化物熱電材料の製造方法としては、
各構成元素の酸化物粉末である過酸化ナトリウム(Na
)並びにコバルトオキサイド(Co)の粉
末を秤量、混合した後に焼成する固相反応法により作製
されているが、これら固相反応法により作製されたNa
0.5CoO熱電材料は、前述のよう従来使用されて
いたBiTeに比較して優れた特性を有するもの
の、その性能指数Zは実用に供するのに十分なものとは
言えず、更に高い性能指数Z、つまりはより高い出力因
子Pが得られる製造方法が切望されていた。
SUMMARY OF THE INVENTION These Na 0.5 Co
As a method for producing oxide thermoelectric materials represented by O 2, the
Sodium peroxide (Na) which is an oxide powder of each constituent element
2 O 2) and weighed powder cobalt oxide (Co 3 O 4), have been prepared by a solid phase reaction method is fired after mixing, are produced by these solid phase reaction method Na
Although the 0.5 CoO 2 thermoelectric material has superior characteristics as compared with the conventionally used Bi 2 Te 3 as described above, its performance index Z cannot be said to be sufficient for practical use. There has been a long-felt need for a manufacturing method capable of obtaining a higher figure of merit Z, that is, a higher power factor P.

【0010】よって、本発明は上記した問題点に着目し
てなされたもので、同一の組成や結晶構造であっても、
より高い出力因子Pを有する酸化物熱電材料を作製する
ことのできる酸化物熱電材料の製造方法を提供すること
を目的としている。
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has the same composition and crystal structure.
It is an object of the present invention to provide a method for producing an oxide thermoelectric material that can produce an oxide thermoelectric material having a higher output factor P.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記した問題を解決する
ために、本発明の酸化物熱電材料の製造方法は、組成式
Nax-yCoO2+d [0.6 <x ≦1.0 、0
≦y <0.28 、−0.4 <d ≦0 ]で表され、前
記式中のAがMg,Ca,Sr,Li,K,並びに希土
類元素の少なくとも1種である酸化物熱電材料の製造方
法であって、溶液中に存在する前記AイオンとNaイオ
ン並びにCoイオンとの比率が前記範囲内の所定比率と
なるように、前記Aイオン錯体とNaイオン錯体並びに
Coイオン錯体とを混合、均一化する混合工程と、該混
合工程にて得られた水溶液に多価アルコールを加えた
後、該水溶液を加熱してゲル化させるゲル化工程と、得
られたゲルを加熱し、ゲル中の不要有機化合物を分解す
る加熱分解工程と、該加熱分解工程後の材料を所定温度
の酸化雰囲気中にて焼成する焼成工程と、を少なくとも
有することを特徴としている。この特徴によれば、従来
の固相反応法に比較して、結晶中の各金属原子の混合が
溶液中の錯体の混合にて実施されることで、均一性に優
れた結晶を得ることができ、結果的に結晶の電気伝導率
が向上することにより、より高い出力因子Pを有する酸
化物熱電材料を得ることができる。
In order to solve the above-mentioned problems, a method for producing an oxide thermoelectric material according to the present invention uses a composition formula of Na xy A y CoO 2 + d [0.6 <x ≦ 1. 0.0, 0
≦ y <0.28, −0.4 <d ≦ 0], wherein A in the above formula is at least one of Mg, Ca, Sr, Li, K, and a rare earth element. In the production method, the A ion complex is mixed with the Na ion complex and the Co ion complex such that the ratio of the A ion to the Na ion and the Co ion present in the solution is a predetermined ratio within the above range. A mixing step of homogenizing, a gelling step of adding a polyhydric alcohol to the aqueous solution obtained in the mixing step, and heating the aqueous solution to form a gel, and heating the obtained gel to form a gel. And a firing step of firing the material after the thermal decomposition step in an oxidizing atmosphere at a predetermined temperature. According to this feature, compared to the conventional solid-phase reaction method, mixing of each metal atom in the crystal is performed by mixing of the complex in the solution, so that a crystal with excellent uniformity can be obtained. As a result, the electrical conductivity of the crystal is improved, so that an oxide thermoelectric material having a higher power factor P can be obtained.

【0012】本発明の酸化物熱電材料の製造方法は、前
記錯体配位子となる配位子化合物が、クエン酸であるこ
とが好ましい。このようにすれば、構造が簡素で且つ構
成元素が水素と酸素と炭素から成るクエン酸を用いるこ
とで、前記加熱分解工程にて生成するガス等の量が比較
的少なく、処理の時間を比較的短いものにできて経済的
であるとともに、加熱分解工程後の材料に不純物となる
元素が残存することもない。
In the method for producing an oxide thermoelectric material according to the present invention, it is preferable that the ligand compound serving as the complex ligand is citric acid. With this configuration, the use of citric acid having a simple structure and constituent elements of hydrogen, oxygen, and carbon makes it possible to reduce the amount of gas and the like generated in the thermal decomposition step, and to compare the processing time. It is economical because it can be made short, and there is no element remaining as an impurity in the material after the thermal decomposition step.

【0013】本発明の酸化物熱電材料の製造方法は、前
記水溶液に、該水溶液中の各金属イオンに対してクエン
酸のモル比が4〜10となるようにクエン酸を混合する
ことが好ましい。このようにすれば、モル比が4〜10
となるように過剰なクエン酸を混合することにより、各
錯体化合物の形成が促進されて沈殿物の発生を抑え、よ
り均一な混合状態を得ることができる。
In the method for producing an oxide thermoelectric material according to the present invention, it is preferable that citric acid is mixed with the aqueous solution so that the molar ratio of citric acid to each metal ion in the aqueous solution is 4 to 10. . In this case, the molar ratio is 4 to 10
By mixing an excess amount of citric acid so as to obtain, the formation of each complex compound is promoted, and the generation of a precipitate is suppressed, so that a more uniform mixed state can be obtained.

【0014】本発明の酸化物熱電材料の製造方法は、前
記多価アルコールがエチレングリコールであることが好
ましい。このようにすれば、構造が簡素で且つ構成元素
が水素と酸素と炭素から成るエチレングリコールを用い
ることで、前記加熱分解工程にて生成するガス等の量が
比較的少なく、処理の時間を比較的短いものにできて経
済的であるとともに、加熱分解工程後の材料に不純物と
なる元素が残存することもない。
In the method for producing an oxide thermoelectric material according to the present invention, the polyhydric alcohol is preferably ethylene glycol. In this way, by using ethylene glycol having a simple structure and constituting elements of hydrogen, oxygen and carbon, the amount of gas and the like generated in the thermal decomposition step is relatively small, and the processing time can be compared. It is economical because it can be made short, and there is no element remaining as an impurity in the material after the thermal decomposition step.

【0015】本発明の酸化物熱電材料の製造方法は、製
造される酸化物熱電材料が組成式NaCoO[0.
6<x≦1.0]で表される酸化物熱電材料であること
が好ましい。このようにすれば、比較的高い出力因子P
を有するNaCoO[0.6<x≦1.0]の出力因
子Pを、より一層向上できる。
According to the method for producing an oxide thermoelectric material of the present invention, the produced oxide thermoelectric material has a composition formula of Na x CoO 2 [0.1.
It is preferable that the oxide thermoelectric material is represented by the following formula: 6 <x ≦ 1.0]. In this way, a relatively high power factor P
, The output factor P of Na x CoO 2 [0.6 <x ≦ 1.0] can be further improved.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態を説明すると、図1は、本発明の酸化物熱電材料
の製造方法を示すフロー図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing an oxide thermoelectric material of the present invention.

【0017】図1のフロー図は、本発明の対象となる酸
化物熱電材料の組成式Nax-y CoO2+d [0.
6 <x ≦1.0 、0 ≦y <0.28 、−0.4 <d
≦0 ]のA元素として、Caを用いた場合の製造方法
を例示したものである。
FIG. 1 is a flow chart showing the process of the present invention.
Formula of NaCl Thermoelectric MaterialxyA yCoO2 + d [0.
6 <x ≦ 1.0, 0 ≦ y <0.28, −0.4 <d
 ≦ 0] Production method using Ca as element A
Is an example.

【0018】まず、原料としては、得ようとする酸化物
熱電材料を構成する各金属元素の酢酸塩である酢酸ナト
リウムと酢酸カルシウム並びに酢酸コバルトとを、それ
ぞれ秤量した後、これら各酢酸塩を純水に投入するとと
もに、溶液中の金属イオンと錯体を形成する錯体配位子
であるクエン酸を、前記溶液中の各金属イオンのモル数
の総和の約5倍に相当するモル数にて溶液に投入、溶解
させて錯体形成並びに混合を行い、均一化されたゾルを
作製する。(混合工程)
First, as raw materials, sodium acetate, calcium acetate, and cobalt acetate, which are acetates of the respective metal elements constituting the oxide thermoelectric material to be obtained, were weighed, and these acetates were purified. The citric acid, which is a complex ligand that forms a complex with the metal ions in the solution while being poured into water, is dissolved in a solution having a number of moles corresponding to about 5 times the total number of moles of each metal ion in the solution. To form a complex and mix to form a uniform sol. (Mixing process)

【0019】次いで、前記の混合工程にて均一化された
ゾルに多価アルコールであるエチレングリコールを投入
してゾルを撹拌・混合した後、該ゾル(水溶液)を約2
00℃に加熱してゲル化を行う。(ゲル化工程)
Then, ethylene glycol, which is a polyhydric alcohol, is added to the sol homogenized in the mixing step, and the sol is stirred and mixed.
The gelation is performed by heating to 00 ° C. (Gelling process)

【0020】このように本実施例では、原料として固体
の酢酸塩を用いているが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、予め各酢酸塩にクエン酸並びに純水を加え
て錯体溶液を作製し、各錯体溶液を計量して混合するよ
うにしても良い。
As described above, in this embodiment, a solid acetate is used as a raw material. However, the present invention is not limited to this, and citric acid and pure water are added to each acetate in advance to prepare a complex solution. And the respective complex solutions may be weighed and mixed.

【0021】また、本実施例では、前記各原料粉末とし
て酢酸塩を用いており、これら酢酸塩を用いることは、
該酢酸基が酸として最も簡素な構造であり、その構成元
素が水素と酸素と炭素からのみ構成されていて、後述す
る加熱分解において不純物となる元素を残さないととも
に、分解された水素や炭素の離脱に必要な時間を短くで
きることから好ましいが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、これら金属元素の供給源となる金属塩は、
上記の観点やコスト等から適宜に選択すれば良い。
In this embodiment, acetate is used as each of the raw material powders.
The acetic acid group has the simplest structure as an acid, and its constituent elements are composed only of hydrogen, oxygen, and carbon. Although it is preferable because the time required for separation can be shortened, the present invention is not limited to this, and a metal salt serving as a supply source of these metal elements is
What is necessary is just to select suitably from the said viewpoint, cost, etc.

【0022】また、実施例では、前述のように溶媒とな
る純水に錯体配位子となるクエン酸を加えているが、こ
れらクエン酸の投入量としては、前記各酢酸塩にて供給
される溶媒中の各金属イオンに対し、該クエン酸のモル
比が4倍以下になると、溶液が濁って完全な溶解(錯体
形成)がなされず、各金属イオンの良好な均一化状態が
得られず、得られる結晶の電気抵抗が上昇して前記出力
因子Pが低下してしまうし、逆にそのモル比が10倍以
上になると、前述のゲル化工程においてゲルの作成に必
要とされる加熱時間が長くなってしまい不経済となるこ
とから、そのモル比の範囲としては各金属イオンに対し
て4倍から10倍の範囲、より好ましくは約5倍とすれ
ば良い。
In the embodiment, citric acid as a complex ligand is added to pure water as a solvent as described above. When the molar ratio of the citric acid to the respective metal ions in the solvent is 4 times or less, the solution becomes turbid and complete dissolution (complex formation) is not performed, and a good homogenized state of each metal ion is obtained. On the other hand, when the electrical resistance of the obtained crystal increases and the output factor P decreases, and when the molar ratio becomes 10 times or more, the heating required for forming the gel in the aforementioned gelation step is performed. Since the time becomes long and it becomes uneconomical, the molar ratio may be in the range of 4 to 10 times, more preferably about 5 times, for each metal ion.

【0023】また、本実施例では前述のように配位子と
してクエン酸を用いており、このようにクエン酸を用い
ることは、これらクエン酸は配位子として比較的簡素な
構造であるとともに、その構成元素が水素と酸素と炭素
からのみ構成されていて、後述する加熱分解において、
不純物となる元素を残さないことから好ましいが、本発
明はこれに限定されるものではなく、これら配位子とし
ては、前記した観点に照らして、使用する金属元素や溶
媒により好適なものを適宜に選択すれば良い。
Further, in this embodiment, citric acid is used as a ligand as described above, and the use of citric acid as described above is because these citric acids have a relatively simple structure as a ligand. The constituent elements are composed only of hydrogen, oxygen, and carbon, and in the thermal decomposition described below,
Although it is preferable because it does not leave an element serving as an impurity, the present invention is not limited thereto, and these ligands may be appropriately selected from those described above in view of the above-described viewpoints. I just want to choose.

【0024】また、本実施例では、前記ゾル(水溶液)
の錯体(配位子)の重合を促進させること等を目的とし
てエチレングリコールを加えているが、これらエチレン
グリコールの量等は、溶液中の錯体量に対して適宜に過
剰に存在すれば良いが、これが多すぎると、後述する加
熱分解における加熱時間が増大して不経済となることか
ら、必要最小限の量を用いることが好ましい。
In the present embodiment, the sol (aqueous solution)
Ethylene glycol is added for the purpose of accelerating the polymerization of the complex (ligand) of the above. The amount of the ethylene glycol and the like may be appropriately present in excess relative to the amount of the complex in the solution. If the amount is too large, the heating time in the later-described thermal decomposition increases, which is uneconomical. Therefore, it is preferable to use the minimum necessary amount.

【0025】次いで、前記ゲル化工程にて生成されたゲ
ル中に残存する不要元素である水素と炭素を有する酢酸
基並びにクエン酸とエチレングリコールとを、350℃
に加熱して分解してゲル中より離脱させる(加熱分解工
程)。これら加熱分解の温度や時間は、使用する配位子
や原料等から適宜に選択すれば良く、また、その処理時
間は、処理したゲルの重量の減少量を測定して判断すれ
ば良い。
Next, an acetic acid group having hydrogen and carbon, which are unnecessary elements remaining in the gel formed in the gelling step, and citric acid and ethylene glycol are reacted at 350 ° C.
To separate from the gel (heat decomposition step). The temperature and time for these thermal decompositions may be appropriately selected depending on the ligands and raw materials to be used, and the treatment time may be determined by measuring the weight loss of the treated gel.

【0026】これら加熱分解されたゲルは、酸化雰囲気
中で600〜675℃にて12時間、仮焼成されて結晶
化がなされた後、所定の形状にプレス等により成形され
て、酸化雰囲気中で600〜800℃にて12時間、本
焼成されて酸化物熱電材料とされる。
These thermally decomposed gels are calcined at 600 to 675 ° C. for 12 hours in an oxidizing atmosphere to be crystallized, and then formed into a predetermined shape by a press or the like, and are then oxidized. Main firing is performed at 600 to 800 ° C. for 12 hours to obtain an oxide thermoelectric material.

【0027】一方、比較例として図2のフロー図に従来
の固相反応法によるNa0.7CoOの製造方法を示
す。原料としては、Na供給源としてNa粉末を
使用し、コバルト供給源としてはCo粉末を使用
した。
On the other hand, as a comparative example, a flow chart of FIG. 2 shows a conventional method of producing Na 0.7 CoO 2 by a solid-phase reaction method. As a raw material, Na 2 O 2 powder was used as a Na supply source, and Co 3 O 4 powder was used as a cobalt supply source.

【0028】前記Na粉末とCo粉末と
を、焼成して得られる酸化物熱電材料中のNaとCoと
の組成比率が0.70:1.00となるように秤量した
後、乳鉢中に投入して均一状となるように攪拌混合す
る。
The Na 2 O 2 powder and the Co 3 O 4 powder were weighed so that the composition ratio of Na and Co in the oxide thermoelectric material obtained by firing was 0.70: 1.00. Thereafter, the mixture is put into a mortar and stirred and mixed so as to be uniform.

【0029】前記混合にて均一化された混合物は、焼成
容器に移された後、焼成容器ごと焼成装置に投入され、
大気中で800℃、12時間焼成処理を実施した後、焼
成物を粉砕して粉状とし、該粉砕物を混合して組成の均
一化を計った後、再度850℃、12時間焼成処理を実
施して結晶性の均質化を行い、焼成の終了後、徐冷して
酸化物熱電材料とした。
The mixture homogenized by the mixing is transferred to a firing vessel, and then put into a firing apparatus together with the firing vessel.
After baking in air at 800 ° C. for 12 hours, the baked product is pulverized into a powder, and the pulverized product is mixed to make the composition uniform, and then baked again at 850 ° C. for 12 hours. This was performed to homogenize the crystallinity, and after the completion of firing, was gradually cooled to obtain an oxide thermoelectric material.

【0030】これら本実施例の図1に示す錯体を用いた
製造方法により、前記Na原子の組成比率xを0.7と
し、Caへの置換比率yを0,0.07,0.14と変化
させた酸化物熱電材料と、図2に示す従来の固相反応法
によるNa0.7CoO酸化物熱電材料との各温度に
おけるゼーベック係数を比較した結果を図3に、各温度
における電気抵抗率ρ=1/σを比較した結果を図4
に、これら各データから出力因子Pを比較した結果を図
5に示す。
According to the production method using the complex shown in FIG. 1 of the present embodiment, the composition ratio x of the Na atom is set to 0.7, and the substitution ratio y to Ca is set to 0.0, 0.07, 0.14. FIG. 3 shows the results of a comparison of the Seebeck coefficient at each temperature between the changed oxide thermoelectric material and the Na 0.7 CoO 2 oxide thermoelectric material obtained by the conventional solid-state reaction method shown in FIG. FIG. 4 shows the result of comparing the resistivity ρ = 1 / σ.
FIG. 5 shows the result of comparing the output factor P from these data.

【0031】まず、本実施例のものと従来の固相反応法
によるもののゼーベック係数を比較すると、図3に示す
ように、常温以下の低温領域では従来の固相反応法のも
のが本実施例のものよりもゼーベック係数が高いが、常
温より高い高温領域においては、双方のゼーベック係数
には大きな差はない。これに対し、本実施例の製造方法
によるもので、ナトリウムの一部をy=0.07或いは
y=0.14カルシウムに置換したものでは、ほぼ全温
度領域において、y=0であるカルシウム置換を行わな
い双方の製造方法によるものに比較して、高いゼーベッ
ク係数が得られている。
First, when the Seebeck coefficient of this embodiment and that of the conventional solid-phase reaction method are compared, as shown in FIG. Although the Seebeck coefficient is higher than that of the above, there is no significant difference between the two Seebeck coefficients in a high temperature region higher than room temperature. On the other hand, according to the production method of the present embodiment, when a part of sodium is replaced by y = 0.07 or y = 0.14 calcium, calcium replacement in which y = 0 in almost the entire temperature range. As a result, a higher Seebeck coefficient is obtained as compared with those obtained by both of the production methods which do not carry out the above.

【0032】また、前記ゼーベック係数にて差がなかっ
たカルシウム置換をおこなわないものであっても、図4
に示すように、全温度領域において本実施例によるもの
の電気抵抗率が低く、高い電気伝導性を有している。
In addition, even if calcium substitution was not performed, which had no difference in the Seebeck coefficient, FIG.
As shown in (1), in this example, the electrical resistivity is low and the electrical conductivity is high in the entire temperature range.

【0033】また、これら電気抵抗率と前記カルシウム
置換との関係としては、該カルシウム置換の量が大きく
なると、特に低温領域において電気抵抗率の上昇が見ら
れる。
As for the relationship between the electrical resistivity and the above-mentioned calcium substitution, when the amount of the calcium substitution becomes large, the electric resistivity increases particularly in a low temperature region.

【0034】これらゼーベック係数並びに電気抵抗率に
基づき、前記出力因子Pを比較すると、図5に示すよう
に、本実施例の錯体を用いて製造された熱電材料は、前
記した電気抵抗率の低下(電気伝導性の向上)の寄与に
より、特に実用的な高温領域において出力因子Pの大幅
な向上が得られることが判る。
When the output factor P is compared based on the Seebeck coefficient and the electrical resistivity, as shown in FIG. 5, the thermoelectric material manufactured using the complex of the present embodiment has the above-described decrease in the electrical resistivity. It can be seen that the contribution of (improvement of electric conductivity) can greatly improve the output factor P particularly in a practical high temperature region.

【0035】また、これら本実施例の製造方法により製
造された前記カルシウム置換された熱電材料は、y=
0.07のデータに示されるように、更に高い出力因子
Pを得ることが可能となることが判り、これら本実施例
の製造方法がこれらナトリウムの置換による酸化物熱電
材料の製造に有効であることが判る。
Further, the calcium-substituted thermoelectric material produced by the production method of the present embodiment has y =
As shown in the data of 0.07, it was found that it was possible to obtain a higher output factor P, and the production method of this example was effective for producing an oxide thermoelectric material by replacing sodium. You can see that.

【0036】これら本実施例の錯体を用いて製造された
酸化物熱電材料が、従来の固相反応法によるものに比較
して、低い電気抵抗率となる理由としては、主にセラミ
ックス試料の電気伝導性が、結晶粒中の組成ずれや結晶
粒間に析出した不純物によって大きく影響されることか
ら、本実施例のように均質なゲルから作製された結晶粒
は、組成のずれ並びにこれら組成のずれ等に伴う不純物
相の生成等が従来の固相反応法に比較して少ないため、
電気伝導性が向上(電気抵抗率が低下)したものと考え
られる。尚、前記カルシウムによるナトリウム置換量と
しては、これら置換元素として本実施例のようにカルシ
ウムを用いた場合には、これらカルシウムは高温におい
てもNaのような昇華性を示さないことから、安定した
製造が可能となるとともに、高温での性能低下を抑えら
れることから好ましいが、これら置換量がy=0.28
以上になると、X線回折パターン中の不純物量の増加が
著しくなることから、これらナトリウムの置換量yは、
0〜0.28の範囲とすれば良い。
The reason why the oxide thermoelectric material produced by using the complex of this embodiment has a lower electric resistivity than that obtained by the conventional solid-state reaction method is mainly that of the ceramic sample. Since the conductivity is greatly affected by the composition deviation in the crystal grains and the impurities precipitated between the crystal grains, the crystal grains produced from the homogenous gel as in the present embodiment have the composition deviation and the composition deviation of these compositions. Since the generation of impurity phases due to shifts etc. is less than in the conventional solid phase reaction method,
It is considered that the electrical conductivity improved (the electrical resistivity decreased). In addition, as for the amount of sodium to be replaced by calcium, when calcium is used as these replacing elements as in this example, these calcium do not show sublimation like Na even at a high temperature, so that stable production can be achieved. Is preferable, and a decrease in performance at a high temperature can be suppressed. However, when these substitution amounts are y = 0.28,
Above, the amount of impurities in the X-ray diffraction pattern increases remarkably.
The range may be in the range of 0 to 0.28.

【0037】尚、本実施例では、前記ナトリウムを置換
するA原子としてカルシウムを用いているが、本発明は
これに限定されるものではなく、これらA原子として
は、ナトリウムのイオン半径に近いか或いはナトリウム
のイオン半径よりも小さなイオン半径を有する元素を用
いることができ、これら元素としては、Mg,Ca,S
r,Li,K,並びに希土類元素の単体物もしくは2種
以上を混合して用いることができる。
In this embodiment, calcium is used as the A atom for substituting sodium. However, the present invention is not limited to this, and these A atoms may be close to the ionic radius of sodium. Alternatively, elements having an ionic radius smaller than the ionic radius of sodium can be used, and these elements include Mg, Ca, S
A single substance of r, Li, K, and a rare earth element or a mixture of two or more of them can be used.

【0038】また、コバルトに対するナトリウムの比率
xとしては、これが0.6以下の場合には、Co
が結晶中に不純物として混入してゼーベック係数並びに
電気伝導度の双方を低下させてしまい、xが1.0以上
である場合には、NaCoOが不純物として混入し
てゼーベック係数並びに電気伝導度の双方を低下させて
しまうことから、前記ナトリウムの比率xとしては、
0.6<x≦1.0とすることが好適とされる。
When the ratio x of sodium to cobalt is 0.6 or less, Co 2 O 3
Is mixed into the crystal as an impurity, which lowers both the Seebeck coefficient and the electric conductivity. When x is 1.0 or more, Na 4 CoO 4 is mixed as an impurity and the Seebeck coefficient and the electric conductivity are reduced. Since both of the degrees are lowered, as the ratio x of the sodium,
It is preferable that 0.6 <x ≦ 1.0.

【0039】このように本実施例の錯体を用いた製造方
法による酸化物熱電材料は、従来の固相反応法によるも
のに比較して、ゼーベック係数αはさほど向上しないも
のの、その電気伝導率が実用温度領域の全般に渡って向
上し、よって高い性能指数の向上を得ることができ、高
い実用性を有している。
As described above, the oxide thermoelectric material produced by the production method using the complex of the present embodiment has a small Seebeck coefficient α, but has a low electric conductivity, as compared with the conventional solid-state reaction method. It is improved over the entire practical temperature range, so that a high figure of merit can be obtained, and thus it has high practicality.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明は次の効果を奏する。 (a)請求項1の発明によれば、従来の固相反応法に比
較して、結晶中の各金属原子の混合が溶液中の錯体の混
合にて実施されることで、均一性に優れた結晶を得るこ
とができ、結果的に結晶の電気伝導率が向上することに
より、より高い出力因子Pを有する酸化物熱電材料を得
ることができる。
The present invention has the following effects. (A) According to the first aspect of the invention, compared with the conventional solid-phase reaction method, mixing of each metal atom in a crystal is performed by mixing of a complex in a solution, so that excellent uniformity is achieved. A crystal can be obtained, and as a result, the electrical conductivity of the crystal is improved, so that an oxide thermoelectric material having a higher output factor P can be obtained.

【0041】(b)請求項2の発明によれば、構造が簡
素で且つ構成元素が水素と酸素と炭素から成るクエン酸
を用いることで、前記加熱分解工程にて生成するガス等
の量が比較的少なく、処理の時間を比較的短いものにで
きて経済的であるとともに、加熱分解工程後の材料に不
純物となる元素が残存することもない。
(B) According to the second aspect of the present invention, the amount of gas and the like generated in the thermal decomposition step is reduced by using citric acid whose structure is simple and whose constituent elements are hydrogen, oxygen and carbon. Relatively few, the processing time can be made relatively short, which is economical, and there is no element remaining as an impurity in the material after the thermal decomposition step.

【0042】(c)請求項3の発明によれば、モル比が
4〜10となるように過剰なクエン酸を混合することに
より、各錯体化合物の形成が促進されて沈殿物の発生を
抑え、より均一な混合状態を得ることができる。
(C) According to the third aspect of the present invention, the formation of each complex compound is promoted by mixing an excessive amount of citric acid so that the molar ratio becomes 4 to 10, thereby suppressing generation of a precipitate. A more uniform mixing state can be obtained.

【0043】(d)請求項4の発明によれば、構造が簡
素で且つ構成元素が水素と酸素と炭素から成るエチレン
グリコールを用いることで、前記加熱分解工程にて生成
するガス等の量が比較的少なく、処理の時間を比較的短
いものにできて経済的であるとともに、加熱分解工程後
の材料に不純物となる元素が残存することもない。
(D) According to the invention of claim 4, the amount of gas and the like generated in the thermal decomposition step is reduced by using ethylene glycol whose structure is simple and whose constituent elements are hydrogen, oxygen and carbon. Relatively few, the processing time can be made relatively short, which is economical, and there is no element remaining as an impurity in the material after the thermal decomposition step.

【0044】(e)請求項5の発明によれば、比較的高
い出力因子Pを有するNaCoO [0.6<x≦1.
0]の出力因子Pを、より一層向上できる。
(E) According to the fifth aspect of the present invention, the relatively high
Na with power factor PxCoO 2[0.6 <x ≦ 1.
0] can be further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例における酸化物熱電材料の製造
方法を示すフロー図である。
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing an oxide thermoelectric material according to an example of the present invention.

【図2】従来の酸化物熱電材料の製造方法を示すフロー
図である。
FIG. 2 is a flowchart showing a conventional method for producing an oxide thermoelectric material.

【図3】本発明の実施例における酸化物熱電材料と従来
の製造方法による酸化物熱電材料の各温度におけるゼー
ベック係数を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the Seebeck coefficient at each temperature of an oxide thermoelectric material according to an example of the present invention and an oxide thermoelectric material according to a conventional manufacturing method.

【図4】本発明の実施例における酸化物熱電材料と従来
の製造方法による酸化物熱電材料の各温度における電気
抵抗率を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing electrical resistivity at various temperatures of an oxide thermoelectric material according to an example of the present invention and an oxide thermoelectric material manufactured by a conventional method.

【図5】本発明の実施例における酸化物熱電材料と従来
の製造方法による酸化物熱電材料の各温度における出力
因子を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing output factors at various temperatures of the oxide thermoelectric material according to the example of the present invention and the oxide thermoelectric material according to the conventional manufacturing method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G030 AA02 AA03 AA04 AA07 AA08 AA09 AA11 AA28 BA01 BA21 GA10 4G048 AA04 AA05 AB01 AB02 AB05 AC08 AE05 AE08  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4G030 AA02 AA03 AA04 AA07 AA08 AA09 AA11 AA28 BA01 BA21 GA10 4G048 AA04 AA05 AB01 AB02 AB05 AC08 AE05 AE08

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 組成式Nax-yCoO2+d [0.
6 <x ≦1.0 、0 ≦y <0.28 、−0.4 <d
≦0 ]で表され、前記式中のAがMg,Ca,Sr,
Li,K,並びに希土類元素の少なくとも1種である酸
化物熱電材料の製造方法であって、溶液中に存在する前
記AイオンとNaイオン並びにCoイオンとの比率が前
記範囲内の所定比率となるように、前記Aイオン錯体と
Naイオン錯体並びにCoイオン錯体とを混合、均一化
する混合工程と、該混合工程にて得られた水溶液に多価
アルコールを加えた後、該水溶液を加熱してゲル化させ
るゲル化工程と、得られたゲルを加熱し、ゲル中の不要
有機化合物を分解する加熱分解工程と、該加熱分解工程
後の材料を所定温度の酸化雰囲気中にて焼成する焼成工
程と、を少なくとも有することを特徴とする酸化物熱電
材料の製造方法。
1. The composition formula: Na xy A y CoO 2 + d [0.1.
6 <x ≦ 1.0, 0 ≦ y <0.28, −0.4 <d
≦ 0], wherein A in the above formula is Mg, Ca, Sr,
A method for producing an oxide thermoelectric material that is at least one of Li, K, and a rare earth element, wherein the ratio of the A ion to Na ion and Co ion present in a solution is a predetermined ratio within the above range. Thus, the mixing step of mixing and homogenizing the A ion complex with the Na ion complex and the Co ion complex, and after adding the polyhydric alcohol to the aqueous solution obtained in the mixing step, heating the aqueous solution A gelling step of gelling, a heating decomposition step of heating the obtained gel to decompose unnecessary organic compounds in the gel, and a firing step of firing the material after the thermal decomposition step in an oxidizing atmosphere at a predetermined temperature. And a method for producing an oxide thermoelectric material.
【請求項2】 前記錯体配位子となる配位子化合物が、
クエン酸である請求項1に記載の酸化物熱電材料の製造
方法。
2. The ligand compound serving as the complex ligand,
The method for producing an oxide thermoelectric material according to claim 1, which is citric acid.
【請求項3】 前記水溶液に、該水溶液中の各金属イオ
ンに対してクエン酸のモル比が4〜10となるようにク
エン酸を混合する請求項2に記載の酸化物熱電材料の製
造方法。
3. The method for producing an oxide thermoelectric material according to claim 2, wherein the aqueous solution is mixed with citric acid so that the molar ratio of citric acid to each metal ion in the aqueous solution is 4 to 10. .
【請求項4】 前記多価アルコールがエチレングリコー
ルである請求項1〜3のいずれかに記載の酸化物熱電材
料の製造方法。
4. The method for producing an oxide thermoelectric material according to claim 1, wherein said polyhydric alcohol is ethylene glycol.
【請求項5】 製造される酸化物熱電材料が組成式Na
CoO[0.6<x≦1.0]で表される酸化物熱電
材料である請求項1〜4のいずれかに記載の酸化物熱電
材料の製造方法。
5. The oxide thermoelectric material to be produced has a composition formula of Na
x CoO 2 method of manufacturing an oxide thermoelectric material according to claim 1 is an oxide thermoelectric material represented by [0.6 <x ≦ 1.0].
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