Un avenir doré pour les thermoélectriques
Un matériel qui bat tous les records
Des chercheurs de l'Université technique de Vienne ont découvert d'excellentes propriétés thermoélectriques dans les alliages nickel-or. Celles-ci peuvent être utilisées pour convertir efficacement la chaleur en énergie électrique.
Schéma de l'effet thermoélectrique dans les alliages nickel-or.
Fabian Garmroudi
La thermoélectricité permet de convertir directement la chaleur en énergie électrique, et vice versa. Ils sont donc intéressants pour toute une série d'applications technologiques. À la recherche de matériaux thermoélectriques présentant les meilleures propriétés possibles, une équipe de chercheurs de la TU Wien a étudié différents alliages métalliques. Un mélange de nickel et d'or s'est avéré particulièrement prometteur. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue "Science Advances".
L'utilisation de la thermoélectricité pour produire de l'électricité n'est pas nouvelle. Depuis le milieu du XXe siècle, ils sont utilisés pour générer de l'énergie électrique dans le cadre de l'exploration spatiale, mais les thermoélectriques sont également utilisés dans des applications quotidiennes telles que les réfrigérateurs portables. En outre, elles pourraient également être utilisées dans des environnements industriels pour convertir la chaleur résiduelle en électricité verte, pour ne citer qu'une des applications potentielles.
Comment fonctionne la thermoélectricité ?
L'effet thermoélectrique est basé sur le mouvement de particules chargées qui migrent du côté le plus chaud vers le côté le plus froid d'un matériau. Il en résulte une tension électrique - appelée tension thermoélectrique - qui s'oppose au mouvement thermique des porteurs de charge. Le rapport entre la tension thermoélectrique accumulée et la différence de température définit le coefficient Seebeck, nommé d'après le physicien allemand Thomas Johann Seebeck, qui est un paramètre important pour la performance thermoélectrique d'un matériau. L'important est qu'il y ait un déséquilibre entre les charges positives et négatives, car elles se compensent mutuellement.
"Bien que Seebeck ait découvert l'effet thermoélectrique dans les métaux courants il y a plus de 200 ans, les métaux sont aujourd'hui à peine considérés comme des matériaux thermoélectriques parce qu'ils ont généralement un coefficient Seebeck très faible", explique Fabian Garmroudi, premier auteur de l'étude. D'une part, les métaux tels que le cuivre, l'argent ou l'or ont une conductivité électrique extrêmement élevée ; d'autre part, leur coefficient Seebeck est très faible dans la plupart des cas.
Des alliages nickel-or aux propriétés exceptionnelles
Des physiciens de l'Institut de physique de l'état solide (TU Wien) ont réussi à trouver des alliages métalliques présentant une conductivité élevée et un coefficient Seebeck exceptionnellement grand. Le mélange du nickel, métal magnétique, et de l'or, métal noble, modifie radicalement les propriétés électroniques. Dès que la couleur jaunâtre de l'or disparaît avec l'ajout d'environ 10 % de nickel, les performances thermoélectriques augmentent rapidement. L'origine physique de l'effet Seebeck amélioré est ancrée dans le comportement de diffusion des électrons en fonction de l'énergie - un effet fondamentalement différent de celui des thermoélectriques semi-conducteurs. En raison des propriétés électroniques particulières des atomes de nickel, les charges positives sont diffusées plus fortement que les charges négatives, ce qui entraîne le déséquilibre souhaité et donc une tension thermoélectrique élevée.
"Imaginez une course entre deux coureurs : l'un court sur une piste libre, tandis que l'autre doit franchir de nombreux obstacles. Bien entendu, la personne qui court sur la piste libre avance plus vite que son adversaire, qui doit ralentir et changer de direction beaucoup plus souvent", compare Andrej Pustogow, auteur principal de l'étude, le flux d'électrons dans les thermoélectriques métalliques. Dans les alliages étudiés ici, les charges positives sont fortement dispersées par les électrons du nickel, tandis que les charges négatives peuvent se déplacer pratiquement sans être perturbées.
Un matériau qui bat tous les records
La combinaison d'une conductivité électrique extrêmement élevée et d'un coefficient Seebeck élevé conduit à des valeurs record du facteur de puissance thermoélectrique dans les alliages nickel-or, qui dépassent de loin celles des semi-conducteurs conventionnels. "Avec la même géométrie et un gradient de température fixe, il est possible de générer beaucoup plus d'énergie électrique que dans n'importe quel autre matériau connu", explique Fabian Garmroudi. En outre, la densité de puissance élevée pourrait permettre des applications quotidiennes dans le secteur à grande échelle à l'avenir. "Avec les performances actuelles, les smartwatches, par exemple, pourraient déjà être rechargées de manière autonome en utilisant la chaleur corporelle du porteur", donne en exemple Andrej Pustogow.
Le nickel-or n'est qu'un début
"Même si l'or est un élément coûteux, notre travail représente une preuve de concept. Nous avons pu montrer que non seulement les semi-conducteurs, mais aussi les métaux peuvent présenter de bonnes propriétés thermoélectriques qui les rendent utiles pour diverses applications. Les alliages métalliques présentent de nombreux avantages par rapport aux semi-conducteurs, notamment dans le processus de fabrication d'un générateur thermoélectrique", explique Michael Parzer, l'un des principaux auteurs de l'étude.
Le fait que les chercheurs aient pu démontrer expérimentalement que les alliages nickel-or sont d'excellents thermoélectriques n'est pas une coïncidence. "Avant même de commencer notre travail expérimental, nous avons calculé à l'aide de modèles théoriques quels alliages étaient les plus appropriés", explique Michael Parzer. Actuellement, le groupe étudie également d'autres candidats prometteurs qui ne nécessitent pas l'élément coûteux qu'est l'or.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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