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Améliorer l’efficacité thermoélectrique des matériaux nanostructurés

Deux paramètres interdépendants, à savoir la conductivité électrique et le coefficient Seebeck, ont entravé l’amélioration des performances thermoélectriques des matériaux nanostructurés. Des chercheurs soutenus par l’UE ont élaboré une théorie qui permettrait de surmonter cet obstacle.

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Tout ce qui fonctionne autour de nous est synonyme de perte de chaleur: les appareils dans nos maisons, les voitures, les trains et les bus ou encore les usines et les centrales électriques. Les matériaux thermoélectriques permettent de transformer toute cette chaleur résiduelle en énergie électrique utile. Ils doivent posséder une forte conductivité électrique et une faible conductivité thermique. Mais, en règle générale, les matériaux thermoélectriques s’avèrent inefficaces. Depuis 2016, les chercheurs soutenus par le projet NANOthermMA, financé par l’UE, s’efforcent de découvrir comment nanostructurer des matériaux afin d’améliorer leur efficacité thermoélectrique. Cette efficacité se caractérise par le facteur de mérite ZT. Le ZT est une fonction de la conductivité thermique, de la conductivité électrique, de la température absolue et du coefficient Seebeck qui mesure la tension induite dans un matériau thermoélectrique en réponse à une différence de température. Un matériau efficace affichant une faible conductivité thermique et une forte conductivité électrique permettrait d’obtenir une valeur ZT élevée. Étant donné que la nanostructuration est déjà parvenue à réduire sensiblement la conductivité thermique, les prochaines améliorations doivent s’attacher à accroitre la conductivité électrique et à maintenir un coefficient Seebeck élevé. L’ennui est que ces deux quantités sont inversement proportionnelles: tout effort visant à accroitre la première entrainera la réduction de la seconde. Les chercheurs de NANOthermMA se sont ainsi penchés sur la manière de nanostructurer des matériaux qui, comme le décrit un article publié sur le site web «Open Access Government», «atténue l’interdépendance délétère» entre conductivité électrique et coefficient Seebeck. «Grâce à une série de simulations de calculs intensifs exécutées par un logiciel avancé développé dans le cadre du projet, NANOthermMA a démontré, sur le plan théorique, comment l’ingénierie à l’échelle nanométrique est capable de briser l’interdépendance délétère de ces paramètres, voire de multiplier par 20 le facteur de puissance – qui est le produit de la conductivité électrique et du coefficient Seebeck au carré, une quantité qui affecte directement le ZT», explique dans ce même l’article le professeur Neophytos Neophytou, coordinateur du projet rattaché à l’Université de Warwick.

Géométrie des matériaux nanostructurés

La solution de l’équipe de recherche repose sur des caractéristiques nanostructurées comme les nanograins et les joints de grains. «Dans cette géométrie, une espèce supplémentaire d’atomes dopants est insérée dans des régions bien précises — les atomes dopants sont des impuretés qui permettent d’accroître la conductivité électrique du matériau. En concevant méticuleusement la taille des domaines, la nature des joints et la répartition des dopants, il est possible d’obtenir une conductivité électrique déterminée essentiellement par les nanodomaines, alors que le coefficient Seebeck est déterminé par les joints, ces deux facteurs pouvant être ajustés indépendamment l’un de l’autre», explique le professeur Neophytos Neophytou. Qui plus est, la conception des matériaux nanostructurés peut être perfectionnée au moyen de la nanostructuration hiérarchique dans laquelle des nanoinclusions sont insérées à l’intérieur des nanodomaines. Cette technique permet de réduire encore plus la conductivité thermique et présente l’avantage supplémentaire d’améliorer le coefficient Seebeck. L’équipe de NANOthermMA (Advanced Simulation Design of Nanostructured Thermoelectric Materials with Enhanced Power Factors) s’efforcera de déterminer si cette théorie peut être mise en pratique. En cas de succès, elle pourrait ouvrir la voie à des matériaux thermoélectriques affichant des valeurs ZT élevées, ce qui se traduira par une efficacité accrue. Pour plus d’informations, veuillez consulter: page web du projet NANOthermMA

Mots‑clés

NANOthermMA, conductivité électrique, conductivité thermique, coefficient Seebeck, thermoélectrique, nanostructuré

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