Xavier Boyer
Les thermoélectriques permettent la conversion directe de la chaleur en énergie électrique – et vice versa. Cela les rend intéressants pour une gamme d’applications technologiques. À la recherche de matériaux thermoélectriques présentant les meilleures propriétés possibles, une équipe de recherche de la TU Wien a étudié divers alliages métalliques. Un mélange de nickel et d’or s’est révélé particulièrement prometteur. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue Science Innovations.
Utiliser la thermoélectrique pour produire de l’électricité n’a rien de nouveau. Depuis le milieu du XXe siècle, ils sont utilisés pour produire de l’énergie électrique dans le cadre de l’exploration spatiale, mais les thermoélectriques sont également utilisés dans des programs quotidiennes telles que les réfrigérateurs portables. De moreover, ils pourraient également être utilisés dans des environnements industriels pour convertir la chaleur résiduelle en électricité verte, pour ne citer qu’une des programs potentielles.
Remark fonctionne la thermoélectricité
L’effet thermoélectrique est basé sur le mouvement de particules chargées qui migrent du côté le furthermore chaud vers le côté le moreover froid d’un matériau. Il en résulte une pressure électrique – appelée stress thermoélectrique – qui contrecarre le mouvement excité thermiquement des porteurs de charge. Le rapport entre la pressure thermoélectrique accumulée et la différence de température définit le coefficient Seebeck, du nom du physicien allemand Thomas Johann Seebeck, qui est un paramètre significant pour les performances thermoélectriques d’un matériau. L’exigence importante ici est qu’il existe un déséquilibre entre les fees positives et négatives, motor vehicle elles se compensent.
“Bien que Seebeck ait découvert l’effet thermoélectrique dans les métaux communs il y a additionally de 200 ans, les métaux sont aujourd’hui à peine considérés comme des matériaux thermoélectriques car or truck ils ont généralement un coefficient Seebeck très faible”, explique Fabian Garmroudi, leading auteur de l’étude. D’une aspect, les métaux tels que le cuivre, l’argent ou l’or ont une conductivité électrique extrêmement élevée en revanche, leur coefficient Seebeck est extrêmement petit dans la plupart des cas.
Des alliages nickel-or aux propriétés exceptionnelles
Des physiciens de l’Institut de physique du solide (TU Wien) ont réussi à trouver des alliages métalliques présentant une conductivité élevée et un coefficient Seebeck exceptionnellement élevé. Le mélange du métal magnétique nickel avec le métal noble or change radicalement les propriétés électroniques. Dès que la couleur jaunâtre de l’or disparaît après l’ajout d’environ 10 % de nickel, la general performance thermoélectrique augmente rapidement. L’origine physique de l’effet Seebeck amélioré est enracinée dans le comportement de diffusion des électrons dépendant de l’énergie – un effet fondamentalement différent de celui des thermoélectriques semi-conducteurs. En raison des propriétés électroniques particulières des atomes de nickel, les fees positives sont diffusées moreover fortement que les costs négatives, ce qui entraîne le déséquilibre souhaité et donc une tension thermoélectrique élevée.
“Imaginez une study course entre deux coureurs, où une personne court sur une piste libre, mais l’autre doit franchir de nombreux obstructions. Bien sûr, la personne sur la piste libre avance furthermore vite que l’adversaire, qui doit ralentir et changer de vitesse. route beaucoup additionally souvent”, assess Andrej Pustogow, auteur principal de l’étude, au 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 fees négatives peuvent se déplacer pratiquement sans perturbation.
Matériel file
La combinaison d’une conductivité électrique extrêmement élevée et simultanément d’un coefficient Seebeck élevé conduit à des valeurs de facteur de puissance thermoélectrique history dans les alliages nickel-or, qui dépassent de loin celles des semi-conducteurs conventionnels. “Avec la même géométrie et le même gradient de température fixe, il serait feasible de générer beaucoup as well as d’énergie électrique que n’importe quel autre matériau connu”, explique Fabian Garmroudi. En outre, la densité de puissance élevée pourrait permettre à l’avenir des apps quotidiennes dans le secteur à grande échelle. “Avec les performances actuelles, les montres intelligentes, par exemple, pouvaient déjà être rechargées de manière autonome en utilisant la chaleur corporelle de l’utilisateur”, donne comme exemple Andrej Pustogow.
Le nickel-or n’est qu’un début
“Même si l’or est un élément coûteux, nos travaux représentent une preuve de strategy. Nous avons pu montrer que non seulement les semi-conducteurs, mais aussi les métaux peuvent présenter de bonnes propriétés thermoélectriques qui les rendent pertinents pour diverses purposes. Les alliages métalliques présentent divers 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.
Ce n’est pas une coïncidence si les chercheurs ont pu démontrer expérimentalement que les alliages nickel-or sont de très bons thermoélectriques. “Avant même de commencer nos travaux expérimentaux, nous avons calculé à l’aide de modèles théoriques quels alliages étaient les plus adaptés”, révèle Michael Parzer. Actuellement, le groupe étudie également d’autres candidats prometteurs qui ne nécessitent pas l’élément coûteux, l’or.
