Si les matériaux thermoélectriques peuvent convertir la chaleur de faible qualité en électricité, nous n'aurons peut-être plus jamais besoin de recharger la technologie portable à la maison.

La nuit, la plupart d'entre nous branchons un fouillis de fils et d'appareils pendant que nous chargeons nos montres intelligentes, téléphones et trackers de fitness. C'est un tas qui ne va probablement pas devenir plus petit à mesure que de plus en plus de technologies portables entrent dans nos vies. Constructeurs et futurologues prédisent que ceux-ci seront bientôt autosuffisants en énergie et que nous serons débarrassés de leur gâchis. Mais la question demeure :comment ? À l'heure actuelle, les seules principales sources d'alimentation portables sont les chargeurs solaires, mais ceux-ci ont des limitations importantes à la fois à l'intérieur et après la tombée de la nuit.

Kédar Hippalgaonkar, Jianwei Xu et leurs collègues de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE) d'A*STAR pensent qu'ils pourraient bientôt utiliser la chaleur résiduelle de faible qualité - pensez aux gaz d'échappement des voitures ou à la chaleur corporelle - pour alimenter les appareils.

"Une énorme quantité de chaleur résiduelle de faible qualité est déversée dans l'environnement", dit Hippalgaonkar. Convertir cette chaleur en électricité est une grande opportunité à ne pas manquer.

Les générateurs thermoélectriques à haute température sont déjà une source d'énergie essentielle pour les instruments spatiaux. Le rover martien, Curiosité, et la sonde spatiale interstellaire, Voyageur 2, exploiter la chaleur nucléaire de longue durée. Ce dernier fonctionne sur ce type d'électricité depuis plus de 40 ans. « La production d'énergie thermoélectrique n'est pas une idée nouvelle, " explique Hippalgaonkar. " Il a été étudié depuis les années 1950 et il y a eu beaucoup de recherches sur de nouveaux matériaux, mais dans le passé, la plupart des travaux étaient axés sur les substances toxiques, matériaux inorganiques et applications avec des températures de fonctionnement élevées."

Hippalgaonkar convient que la prolifération des appareils de l'Internet des objets entraîne désormais une demande de produits non toxiques, sources d'alimentation portables. Les futurs capteurs corporels et appareils portables pourraient être portés en permanence s'ils exploitaient la chaleur corporelle pour être autosuffisants en énergie. "Mais pour ce faire, nous devons développer de nouveaux matériaux thermoélectriques appropriés qui sont efficaces à des températures plus basses, non toxique et bon marché à produire.

L'autre opportunité majeure est d'utiliser la chaleur résiduelle provenant des gaz d'échappement des voitures, avions ou bateaux, il ajoute. L'électricité produite pourrait alors être réinjectée dans le véhicule, réduire son empreinte environnementale.

Le projet PHAROS d'A*STAR se concentre sur les matériaux qui rendront ces générateurs thermoélectriques possibles. Le projet de cinq ans a démarré en 2016 et vise à trouver une composition de matériau non toxique et, idéalement, Terre abondante (ce qui la rend bon marché), efficace, et facile à fabriquer. Pour ce faire, ils développent des matériaux hybrides moins toxiques combinant des éléments organiques et inorganiques, et ils poursuivent ceux qui ont un potentiel de production d'énergie thermoélectrique à basse température.

Le projet rassemble Hippalgaonkar, un physicien du solide et un expert du comportement des phonons, photons et électrons dans les matériaux nanométriques et 2D, et Jianwei Xu, un chimiste avec une vaste expérience de recherche sur les matériaux organiques, notamment les polymères semi-conducteurs.

Baisser le chauffage grâce à l'énergie thermique

Pour charger des appareils personnels à l'aide de matériaux thermoélectriques, un générateur exploite l'effet Seebeck, dans laquelle une différence de température crée une tension électrique à la jonction entre deux matériaux différents (souvent, mais pas exclusivement les semi-conducteurs dopés p et n). Cette tension peut être utilisée pour piloter un appareil ou charger une batterie.

À ce jour, les matériaux thermoélectriques les plus bien établis et les plus réussis ont été basés sur des tellurures métalliques, y compris le tellurure de plomb et le tellurure de bismuth. Ceux-ci sont disponibles dans le commerce et ont été exploités comme source d'énergie dans l'espace, où ils peuvent produire localement de l'électricité pour alimenter des satellites et des sondes spatiales. Mais ils ne fonctionnent bien qu'à haute température, et dans l'espace, un isotope nucléaire embarqué est utilisé pour générer cette chaleur et créer un différentiel de température élevé. L'approche peut agir sur le long terme, source d'alimentation locale, mais les risques potentiels pour la santé du rayonnement nucléaire signifient qu'il n'est pas adapté à de nombreuses applications terrestres.

« Il y a un manque de matériaux performants qui fonctionnent aux alentours de la température ambiante et c'est ce à quoi nous voulons remédier avec le projet PHAROS, " dit Xu. Cependant, c'est une tâche difficile d'identifier de nouveaux matériaux thermoélectriques candidats, les fabriquer et ensuite comprendre ce qui se passe pour charger les transferts à l'intérieur.

À ce jour, l'équipe PHAROS a exploré une grande variété de polymères semi-conducteurs conjugués (tels que la polyaniline, P3HT ou PEDOT:PSS) pour la composante organique de leurs hybrides, qui sont ensuite combinés avec un composant inorganique fabriqué à partir de, dire, nanofils de tellure, des nanoparticules de silicium ou des matériaux 2D comme le MoS2, MoS2. Avec ces, ils ont étudié l'utilisation de nanotubes de carbone comme additif.

L'équipe a également exploré le potentiel thermoélectrique des pérovskites d'iodure de plomb méthylammonium1, un système de matériau hybride inorganique-organique qui est devenu célèbre ces dernières années suite à son utilisation réussie dans les cellules solaires. Ce matériau hybride rivalise avec le silicium en termes d'efficacité de conversion de puissance. Le gros avantage de l'utilisation d'un système partiellement organique est qu'il convient au traitement de la solution, qui produit de grandes surfaces, mince, des matériaux flexibles qui pourraient être imprimés au jet d'encre à moindre coût.

Cependant, pour qu'un matériau thermoélectrique fonctionne bien, il doit idéalement avoir un grand coefficient Seebeck, ce qui indique l'importance de la tension générée pour une différence de température donnée. Et il est également important que le matériau ait une conductivité électrique élevée pour permettre à une charge de s'écouler facilement, ainsi qu'une faible conductivité thermique pour supporter le gradient de température en place.

"Il est très difficile d'atteindre ces attributs simultanément, ", explique Hippalgaonkar. "Vous voulez idéalement trouver un matériau qui combine la faible conductivité thermique du bois avec la conductivité électrique élevée d'un métal et ce n'est pas facile à faire."

Matériaux avec un score parfait

Pour faciliter les comparaisons entre les matériaux, ce qu'on appelle la "valeur ZT" a été développé pour prendre en compte le coefficient Seebeck, conductivité thermique, conductivité électrique et température. "Nous voulons vraiment quelque chose qui a un ZT d'environ 1, " dit Xu, bien qu'un nombre ZT aussi élevé ne soit pas nécessaire pour de nombreuses utilisations. Maintenant, a 1 peut être obtenu dans le tellurure de bismuth et le tellurure de plomb, mais les deux matériaux sont toxiques, cher à fabriquer et rigide.

Récemment, l'équipe PHAROS a développé un matériau plus sûr qui représente 10 à 20 % du chemin vers une carte de pointage thermoélectrique parfaite. Ils l'ont fait en collaboration avec des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) basé aux États-Unis en optimisant un système de matériaux qui combine un polymère conjugué soigneusement conçu avec des nanofils de tellure. De façon encourageante, Des valeurs ZT d'environ 0,1-0,2 ont été atteintes2.

Cette découverte a été aidée par Shuo-Wang Yang de l'Institute of High Performance Computing de A*Star et son équipe, qui a aidé à expliquer les interactions entre les constituants organiques et inorganiques des matériaux préparés par l'équipe de Jeff Urban au LBNL. Grâce aux travaux expérimentaux et théoriques de l'équipe d'Hippalgaonkar, la physique des flux de charge dans ces matériaux complexes a été détaillée pour la première fois, une base solide pour le développement futur.

"L'interface entre l'interface organique et inorganique est très importante à étudier, " explique Hippalgaonkar. " La physique de la façon dont la charge se déplace à travers un paysage aussi complexe est très difficile à comprendre. "

"Thermoelectric pourra vous offrir la possibilité de réaliser des capteurs auto-alimentés plus rapidement, " dit Hippalgaonkar. Les cardiofréquencemètres par exemple ont des besoins en énergie très modestes, à l'échelle de quelques centaines de microwatts. Un matériau avec un ZT de 1 fonctionnant avec une différence de température d'environ 10˚C à température ambiante génère environ 50 microwatts par centimètre carré, et, en théorie, Le matériau le plus récent de PHAROS pourrait atteindre 10 microwatts par centimètre carré. Donc, l'énergie thermoélectrique portable à petite échelle est déjà incroyablement proche de la réalité, dit Hippalgaonkar. Et une fois que sa promesse commerciale commence à entrer en jeu, leur travail ne fera que s'accélérer.

Les générateurs thermoélectriques expliqués

Un générateur thermoélectrique (TEG) est un appareil qui convertit une différence de température en une tension, et gère la circulation du courant électrique autour d'un circuit. C'est un moyen de convertir la chaleur perdue en électricité. De tels dispositifs fonctionnent grâce à l'effet Seebeck, découverte par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821.

Un TEG est généralement fabriqué en utilisant des semi-conducteurs dopés de type p et n pour créer deux chemins qui se connectent à des électrodes métalliques de températures différentes, un chaud, un froid. L'effet Seebeck signifie que les trous (porteurs de charges électriques positifs) dans le matériau de type p et les électrons (porteurs de charges négatifs) dans le matériau de type n diffusent de l'électrode chaude à l'électrode froide, produisant ainsi un flux de tension et de courant. Le processus peut également être effectué en sens inverse, quand on parle d'effet Peltier et que l'injection d'un courant électrique induit un refroidissement à la jonction du matériau. Glacières thermoélectriques, également connu sous le nom de refroidisseurs Peltier, sont souvent utilisés dans des dispositifs à petite échelle pour contrôler la température de dispositifs électroniques et optoélectriques sensibles tels que les diodes laser et les photodétecteurs.