Les installations de neutrons du laboratoire national d'Oak Ridge aident les scientifiques dans leurs recherches pour augmenter la puissance et l'efficacité des matériaux thermoélectriques. Ces augmentations de performances pourraient permettre des utilisations plus rentables et pratiques pour les thermoélectriques, avec une adoption plus large par l'industrie, pour améliorer l'économie de carburant dans les véhicules, rendre les centrales plus efficaces, et faire progresser les technologies alimentées par la chaleur corporelle pour les montres et les smartphones.

Matériaux thermoélectriques, typiquement des composés métalliques, peut convertir la chaleur en électricité et vice versa en présence d'un gradient de température, ce qui les rend idéales pour les applications de récupération de chaleur perdue.

Les thermoélectriques pourraient capitaliser sur d'énormes quantités de chaleur résiduelle inutilisée produite par les opérations industrielles, production d'électricité à partir de combustibles fossiles, bâtiments commerciaux, Véhicules, et même les gens en convertissant cette chaleur « perdue » en énergie utilisable. Mais jusqu'à présent, leur application a été limitée aux technologies complémentaires en raison de leur faible efficacité par rapport aux formes conventionnelles de production d'énergie.

Pour atteindre les références fixées pour les appareils autonomes thermo-alimentés, les scientifiques étudient maintenant plus en profondeur, jusqu'aux atomes, des matériaux et des méthodes prometteurs pour augmenter les scores d'efficacité.

Travailler avec un matériau à base de magnésium-antimoine, une équipe de recherche internationale dirigée par le physicien de l'Université de Houston, Zhifeng Ren, a démontré une augmentation substantielle du facteur de puissance de l'alliage, ou la production totale d'énergie, avec une technique appelée ingénierie des défauts. En substituant des atomes de cobalt sur des sites stratégiques, les chercheurs ont modifié la voie des électrons d'une manière qui a considérablement amélioré leur mobilité. L'analyse neutronique réalisée à l'ORNL a joué un rôle clé dans la vérification du succès de la méthode.

Les résultats, Publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences , sont commercialement pertinents avec une figure de mérite, ou valeur ZT, de ~1,7 atteint en efficacité thermoélectrique. Le plus significatif est l'augmentation du facteur de puissance du matériau à température ambiante avec un saut record de 5 à 13 μW·cm ^-1 ·K ^-2 qui a plus que doublé la production totale d'énergie du matériau.

Le facteur de puissance résultant est loin du record de 106 à température ambiante atteint par Ren et d'autres auparavant, mais la méthode de renforcement pourrait être appliquée à des matériaux de qualité supérieure, en particulier ceux dont le facteur de puissance est déjà supérieur à 100, pour améliorer encore les thermoélectriques les plus efficaces.

L'approche fonctionne en peaufinant la structure atomique du composé pour surmonter une résistance inhérente au flux d'électrons qui a limité le potentiel des thermoélectriques. Au niveau atomique, des effets thermoélectriques se produisent lorsque les porteurs, ou des électrons, bouger en fonction de la température. Lorsque les électrons se déplacent à travers les matériaux, ils interagissent avec les atomes et se dispersent sur un chemin détourné plutôt que sur une route directe, ce qui entraîne une conversion énergétique inefficace.

Pour produire plus de chaleur ou plus d'électricité avec la thermoélectrique, la recherche a généralement privilégié deux pistes :l'augmentation du nombre de transporteurs ou l'augmentation de la mobilité des transporteurs. Concevoir un matériau ou changer un matériau existant pour accueillir plus d'électrons est une solution, bien qu'il soit difficile de modifier un matériau tout en conservant ses propriétés thermoélectriques. Une autre option, adopté par l'équipe de recherche, est d'affiner les matériaux au niveau atomique pour faciliter le passage des électrons avec moins de résistance, augmentant ainsi le facteur de puissance du matériau.

Le but n'est pas de créer plus d'espace dans les matériaux, mais plutôt d'affiner les vibrations naturelles des atomes qui régissent leurs interactions avec les électrons en introduisant des "défauts" qui ne sont pas naturellement présents. En plaçant stratégiquement la bonne quantité de cobalt dans l'alliage modifié, les chercheurs sont capables de disperser les électrons dans l'alliage plus efficacement.

"Il s'agit d'un moyen sophistiqué d'améliorer la thermoélectricité de bas en haut en contrôlant la façon dont les électrons se dispersent à travers les matériaux, " a déclaré Clarina de la Cruz de l'ORNL, qui a collaboré à l'étude.

En tant qu'instrumentiste pour le diffractomètre à poudre neutronique HB-2A du réacteur à isotope à haut flux, de la Cruz a dirigé les recherches sur la diffusion des neutrons pour analyser le Mg dopé au cobalt 3 Sb 2 Matériel.

Un objectif clé pour les chercheurs était de localiser les emplacements précis des atomes de cobalt de remplacement introduits pour vérifier leur rôle en tant que centres de diffusion des électrons. Le travail n'aurait pas été possible sans l'utilisation des neutrons et leur unique, capacités non destructives d'observation de la matière au niveau atomique.

Les neutrons étaient indispensables en raison de la complexité du matériau, expliqua de la Cruz. « Examiner les substitutions stratégiques sur les métaux de transition et identifier de très petites concentrations de cobalt n'est pas une mince tâche. Même sans le défi supplémentaire des substitutions, certains de ces éléments sont si proches les uns des autres sur le tableau périodique qu'il est extrêmement difficile de les déchiffrer avec des rayons X ou d'autres méthodes. Il faut vraiment des neutrons pour résoudre ce genre de problème."

« La science neutronique est devenue une partie intégrante de la boucle pour augmenter les performances de la thermoélectrique, " a déclaré de la Cruz. " Les chercheurs du monde entier qui conçoivent de nouveaux matériaux utilisent les installations neutroniques de l'ORNL pour vérifier et améliorer leurs résultats, dans ce cas, alimenter la sécurité énergétique future."

La recherche est financée en partie par le Centre de conversion d'énergie solaire thermique à semi-conducteurs, un centre de recherche Energy Frontier financé par le DOE Office of Science.

Article initialement publié dans Actualités neutroniques .