Une nouvelle étude de l'Université de Wollongong surmonte un défi majeur des matériaux thermoélectriques, qui peut convertir la chaleur en électricité et vice versa, améliorer l'efficacité de conversion de plus de 60%.

Les applications actuelles et futures potentielles vont d'un faible entretien, réfrigération à semi-conducteurs à compacter, production d'électricité zéro carbone, qui pourrait inclure de petits, appareils personnels alimentés par la propre chaleur du corps.

"Le découplage du transport électronique (à base d'électrons) et thermique (à base de phonons) changera la donne dans cette industrie, ", déclare le professeur Xiaolin Wang de l'UOW.

Applications et défis thermoélectriques

Matériaux à base de tellurure de bismuth (Bi2Te3, Sb2Te3 et leurs alliages) sont les matériaux thermoélectriques disponibles dans le commerce les plus performants, dont les applications actuelles et futures se répartissent en deux catégories :la conversion d'électricité en chaleur, et vice versa:

• Transformer l'électricité en chaleur :fiable, réfrigération à semi-conducteurs à faible entretien (pompe à chaleur) sans pièces mobiles, pas de bruit, et aucune vibration.
• Convertir la chaleur en électricité, y compris la production d'électricité sans énergie fossile à partir d'un large éventail de sources de chaleur ou l'alimentation gratuite de micro-appareils, en utilisant la température ambiante ou corporelle.

La récupération de la chaleur profite de la gratuité, des sources de chaleur abondantes fournies par la chaleur corporelle, automobile, vie quotidienne, et processus industriel. Sans besoin de piles ou d'alimentation électrique, des matériaux thermoélectriques pourraient être utilisés pour alimenter des capteurs intelligents à distance, emplacements inaccessibles.

Un défi permanent des matériaux thermoélectriques est l'équilibre des propriétés électriques et thermiques :dans la plupart des cas, une amélioration des propriétés électriques d'un matériau (conductivité électrique plus élevée) signifie une détérioration des propriétés thermiques (conductivité thermique plus élevée), et vice versa.

"La clé est de découpler transport thermique et transport électrique, " dit l'auteur principal, doctorat étudiant Guangsai Yang.

Meilleure efficacité grâce au découplage

Le projet de trois ans à l'Institut de supraconductivité et de matériaux électroniques (ISEM) de l'UOW a trouvé un moyen de découpler et d'améliorer simultanément les propriétés thermiques et électroniques.

L'équipe a ajouté une petite quantité de particules de nano-bore amorphe à des matériaux thermoélectriques à base de tellurure de bismuth, en utilisant l'ingénierie des nano-défauts et la conception structurelle.

Des nanoparticules de bore amorphes ont été introduites à l'aide de la méthode de frittage par plasma à étincelles (SPS).

"Cela réduit la conductivité thermique du matériau, et en même temps augmente sa transmission électronique, " explique l'auteur correspondant, le professeur Xiaolin Wang.

"Le secret de l'ingénierie des matériaux thermoélectriques est de manipuler le transport des phonons et des électrons, " explique le professeur Wang.

Parce que les électrons transportent à la fois de la chaleur et conduisent l'électricité, l'ingénierie des matériaux basée uniquement sur le transport d'électrons est sujette à un compromis permanent entre les propriétés thermiques et électriques.

Phonons, d'autre part, ne transportent que de la chaleur. Par conséquent, le blocage du transport des phonons réduit la conductivité thermique induite par les vibrations du réseau, sans affecter les propriétés électroniques.

"La clé pour améliorer l'efficacité thermoélectrique est de minimiser le flux de chaleur via le blocage des phonons, et maximiser le flux d'électrons via (transmission d'électrons), " dit Guangsai Yang. " C'est l'origine de l'efficacité thermoélectrique record de nos matériaux. "

Le résultat est une efficacité de conversion record de 11,3%, ce qui est 60 % meilleur que les matériaux disponibles dans le commerce préparés par la méthode de fusion de zone.

En plus d'être les matériaux thermoélectriques disponibles dans le commerce les plus performants, les matériaux à base de tellurure de bismuth sont également des isolants topologiques typiques.

La performance thermoélectrique ultra-élevée dans les composites en vrac BiSbTe/bore amorphe avec des architectures à nano-défaut a été publiée dans Matériaux énergétiques avancés en septembre 2020.