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 dotés des meilleures propriétés possibles, une équipe de recherche de l’Université technologique de Vienne (TU Wien) a étudié divers alliages métalliques. Un mélange de nickel et d’or s’est révélé particulièrement prometteur. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Avancées scientifiques.
Depuis le milieu du 20e siècle, les thermoélectriques sont utilisés pour générer de l’énergie électrique dans l’exploration spatiale et dans des applications quotidiennes telles que les réfrigérateurs portables. De plus, ils pourraient également être utilisés 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 contrecarre le mouvement excité thermiquement des porteurs de charge.
Le rapport entre la tension thermoélectrique accumulée et la différence de température définit le coefficient Seebeck, du nom du physicien allemand Thomas Johann Seebeck, qui est un paramètre important pour les performances thermoélectriques d’un matériau. L’exigence importante ici est qu’il existe un déséquilibre entre les charges positives et négatives, car elles se compensent.
« Bien que Seebeck ait découvert l’effet thermoélectrique dans les métaux communs il y a plus de 200 ans, les métaux sont aujourd’hui à peine considérés comme des matériaux thermoélectriques car 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 ; 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, les performances thermoélectriques augmentent 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 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, où une personne court sur une piste libre, mais l’autre doit franchir de nombreux obstacles. Bien sûr, la personne sur la piste libre avance plus vite que l’adversaire, qui doit ralentir et changer de vitesse. direction beaucoup plus souvent », explique Andrej Pustogow, auteur principal de l’étude sur le flux d’électrons dans les éléments 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 perturbation.
Matériel record
La combinaison d’une conductivité électrique extrêmement élevée et simultanément d’un coefficient Seebeck élevé conduit à des valeurs de facteur de puissance thermoélectrique record 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 possible de générer beaucoup plus 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 applications 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 concept. 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 applications. 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.
Plus d’information:
Fabian Garmroudi et al, Hautes performances thermoélectriques dans les alliages métalliques NiAu via diffusion interbande, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj1611