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Oxidation Behavior and Integration into High Power Density Thermoelectric Generators of Commercial Half-Heusler Alloys

El Oualid, Soufiane und Masschelein, Philippe und Aranda, Lionel und Medjahdi, Ghouti und Denand, Benoit und Wieder, Arthur und Terzi, Ilayda und Blaschkewitz, Przemyslaw und Ziolkowski, Pawel und Candolfi, Christophe und Lenoir, Bertrand (2025) Oxidation Behavior and Integration into High Power Density Thermoelectric Generators of Commercial Half-Heusler Alloys. ACS Applied Materials and Interfaces, 17 (28), Seiten 40773-40787. American Chemical society (ACS). doi: 10.1021/acsami.5c08992. ISSN 1944-8244.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich bis August 2026 - Postprintversion (akzeptierte Manuskriptversion)
7MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.1021/acsami.5c08992

Kurzfassung

Half-Heusler (HH) alloys are among the best high-temperature thermoelectric (TE) materials able to operate above 700 °C. Here, we report on a detailed experimental study of the oxidation behavior of commercial n- and p-type HH alloys, Hf0.6Zr0.4NiSn0.98Sb0.02 and Hf0.2Zr0.75Ti0.05CoSb0.8Sn0.2, respectively, and of their integration into high-power-density TE generators (TEGs). Oxidation behaviors were investigated from room temperature to 800 °C in air on consolidated small pieces and large pellets using thermogravimetric/differential scanning calorimetry (TG/DSC). Combined with scanning electron microscopy/energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDXS) and powder X-ray diffraction (PXRD), these experiments enabled the identification of the oxidation products and the determination of the oxidation pathway followed by each alloy. n-type HH initially slowly oxidizes upon heating to 350 °C before rapidly oxidizing above this temperature, giving rise to a significant mass loss in the form of gaseous Sb4O6. The inward diffusion of oxygen and outward diffusion of Sb led to the formation of an inner core separated from an outer layer by an empty space. In spite of the higher amount of Sb in the p-type alloy, its oxidation behavior differs, with no significant mass loss observed. In contrast, Sb reacts with Co to form oxides near the surface. A two-couple TEG was fabricated with leg height L = 2.0 mm. A maximum output power density pmax of 7.5 W cm–2 was achieved under a temperature difference ΔT of 575 K. Of particular relevance, reducing L does not necessitate the insertion of mechanical buffers due to the excellent mechanical strength of these alloys. Using shortened legs allows for an increase in pmax at lower ΔT, thereby reaching a temperature range over which these alloys could remain stable against oxidation if further passivation optimization could be realized.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220389/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Zusätzliche Informationen:PMID: 40601931
Titel:Oxidation Behavior and Integration into High Power Density Thermoelectric Generators of Commercial Half-Heusler Alloys
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
El Oualid, Soufianesoufiane.el-oualid (at) univ-lorraine.frNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Masschelein, PhilippeUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Aranda, LionelUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Medjahdi, GhoutiUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Denand, BenoitUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wieder, ArthurUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Terzi, IlaydaUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Blaschkewitz, PrzemyslawPrzemyslaw.Blaschkewitz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ziolkowski, PawelPawel.Ziolkowski (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1519-6803201772391
Candolfi, ChristopheUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lenoir, BertrandUniversité de Lorraine, CNRS, IJL, F-54000 Nancy, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2 Juli 2025
Erschienen in:ACS Applied Materials and Interfaces
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:17
DOI:10.1021/acsami.5c08992
Seitenbereich:Seiten 40773-40787
Verlag:American Chemical society (ACS)
ISSN:1944-8244
Status:veröffentlicht
Stichwörter:thermoelectric, half-Heusler, oxidation, thermoelectric generator, output power density
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Verkehr
HGF - Programmthema:Straßenverkehr
DLR - Schwerpunkt:Verkehr
DLR - Forschungsgebiet:V ST Straßenverkehr
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):V - FFAE - Fahrzeugkonzepte, Fahrzeugstruktur, Antriebsstrang und Energiemanagement
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Thermoelektrische Materialien und Systeme
Hinterlegt von: Ziolkowski, Pawel
Hinterlegt am:08 Jan 2026 10:17
Letzte Änderung:08 Jan 2026 10:17

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