Les nanostructures augmentent la conversion de l'énergie
L'Europe est de plus en plus menacée par un impact environnemental important de la combustion des combustibles fossiles. Petits, bon marché, légers, silencieux et sans pollution, les nanomatériaux et appareils thermoélectriques très efficaces doivent pouvoir fournir une technologie d'énergie propre. Le problème fondamental de la création de matériaux thermoélectriques efficaces est qu'ils doivent pouvoir parfaitement conduire l'électricité, mais pas la chaleur. L'efficacité de la conversion de la chaleur résiduelle en thermoélectrique est gérée par son chiffre de mérite (ZT). Ce chiffre représente le rapport de conductivité électrique et de puissance thermoélectrique dans le numérateur et la conductivité thermique dans le dénominateur. Le projet SPARKNANOTE («Spark plasma sintering nanostructured thermoelectrics»), financé par l'UE, a cherché à créer des défauts et des limites pour diminuer la conductivité thermique du réseau et améliorer l'efficacité de la puissance thermoélectrique. Ce faisant, le projet a identifié des compositions optimisées prometteuses, a contrôlé la morphologie et la taille du grain et les poudres sintérisées. Les scientifiques ont produit du tellurure de bismuth et du triantimoine de cobalt en broyant plusieurs métaux et en les réassemblant ensuite via la technique d'agglomération de plasma. L'équipe a découvert deux éléments dopants pour le CoSb3 qui a donné des valeurs ZT élevées. En combinant de la poudre nano-structurée dense par SPS et un processus de forge à chaud en deux étapes, des alliages à base de bismuth de type P nano-structurés avec l'orientation préférée ont été fabriqués avec succès. Il a été constaté que la puissance thermoélectrique dans la direction perpendiculaire à la force de pression est largement supérieure à celle du matériau aggloméré via l'agglomération à une étape. La seconde étape de la forge à chaud SPS a induit des modifications d'interface et des défauts de cristal qui ont produit des valeurs ZT supérieures. Les scientifiques ont réalisé ceci via une diffusion des phonons plus efficace qui est importante pour la réduction de la conductivité thermique. Dès lors, 50 % d'amélioration de la valeur ZT dans les alliages nano-structurés a pu être obtenue. L'équipe a également introduit des limites de grains dans les matériaux et les a agglomérés via SPS, obtenant la valeur ZT maximum. Avec des matériaux dont on attend qu'ils convertissent une quantité importante de chaleur résiduelle en électricité utile, la thermoélectrique peut maintenant envisager une adoption plus vaste par l'industrie.
