Développement d’un nouveau matériau thermoélectrique avec une efficacité de conversion record

Nouveau matériau thermoélectrique avec une efficacité de conversion aussi élevée que Bi2Te

Chiffre. Module nouvellement développé composé d’un matériau à base de Mg3Sb2 (à gauche). Son efficacité de conversion thermoélectrique indiquée par les cercles rouges (à droite). Crédit : Institut national des sciences des matériaux

NIMS a réussi à améliorer les performances thermoélectriques d’un Mg de type n3Sb2-matériau à base de cuivre par dopage minutieux. Le NIMS et l’AIST ont ensuite construit un module en combinant ce matériau avec un matériau de type p haute performance, atteignant une efficacité de conversion de 7,3 % entre la température ambiante et 320°C. Cette performance est comparable aux meilleurs Bi2À3à base de modules, champion depuis plus d’un demi-siècle. De plus, la haute performance du matériau en elle-même indique une efficacité possible jusqu’à 11%.

Une grande partie de l’énergie utilisée par l’homme est dissipée sous forme de chaleur résiduelle. Environ 90 % de cette température se situe dans la plage de températures inférieures à 320 °C. Des efforts mondiaux intensifs sont en cours pour développer des matériaux thermoélectriques capables de convertir la chaleur résiduelle à basse température en électricité. L’obtention d’une conversion thermoélectrique hautement efficace nécessite des matériaux à la fois faible en conductivité thermique et élevée en conductivité électrique. Cependant, le développement de tels matériaux a été extrêmement difficile car ces deux types de conductivité sont interdépendants. Pour cette raison, Bi2À3Depuis plus d’un demi-siècle, les matériaux à base de plantes ont régné comme les plus efficaces pour convertir la chaleur à basse température en électricité. Parce que Bi2À3-les matériaux à base de tellure contiennent du tellure rare comme composant principal, leur utilisation pratique dans la conversion thermoélectrique a été très limitée. Il est donc hautement souhaitable de développer des matériaux thermoélectriques à hautes performances contenant significativement moins de tellure.

Ce groupe de recherche a découvert que la performance thermoélectrique d’un Mg3Sb2Le matériau à base de cuivre peut être amélioré en le dopant avec une petite quantité d’atomes de cuivre. L’amélioration des performances s’est avérée se produire par deux mécanismes distincts. Premièrement, des quantités infimes d’atomes de cuivre indiqués pour entrer dans les sites interstitiels dispersent radicalement les phonons, vecteurs d’énergie thermique, réduisant considérablement la conductivité thermique. Par conséquent, la dissipation de chaleur a été considérablement réduite, augmentant l’efficacité de conversion thermoélectrique. Deuxièmement, les atomes de cuivre entrant dans les joints de grains ont efficacement réduit la diffusion des électrons. En conséquence, la mobilité électrique du matériau polycristallin – normalement pas aussi bon conducteur électrique – a augmenté à un niveau équivalent à la mobilité électrique des matériaux monocristallins. L’augmentation de la conductivité électrique a réduit les pertes d’énergie causées par le chauffage par effet Joule. Ces deux mécanismes ont simultanément réduit la conductivité thermique et augmenté la conductivité électrique du Mg3Sb2à base de matériau, augmentant ainsi son efficacité de conversion thermoélectrique.

Nos résultats peuvent promouvoir l’utilisation pratique et généralisée de modules thermoélectriques contenant seulement de petites quantités d’éléments rares pour récupérer la chaleur perdue, conduisant à une économie d’énergie significative. De plus, ces modules peuvent être utilisés pour développer des sources d’alimentation autonomes pour divers types de capteurs, qui seront nécessaires en très grandes quantités pour réaliser la vision de la société japonaise 5.0. Enfin, de nouvelles façons de modifier le comportement de diffusion des phonons et de contrôler les joints de grains ont été découvertes dans ce projet et pourraient être applicables à l’amélioration des performances d’une large gamme d’autres matériaux thermoélectriques.

Cette recherche a été publiée dans la version en ligne de Joule.


Améliorer les performances d’un matériau thermoélectrique en substituant partiellement des atomes sélectifs par des cations


Plus d’information:
Zihang Liu et al, Démonstration d’une efficacité thermoélectrique ultra-élevée de ∼7,3% en Mg3Sb2Module /MgAgSb pour la récupération d’énergie à basse température, Joule (2021). DOI: 10.1016/j.joule.2021.03.017

Informations sur la revue :
Joule

Fourni par l’Institut national des sciences des matériaux

Citation: Développement d’un nouveau matériau thermoélectrique avec une efficacité de conversion record (2021, 7 juin) récupéré le 7 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-thermoelectric-material-record-high-conversion-efficiency. html

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