Les chercheurs de la TU Wien ont découvert que les alliages nickel-or excellent en tant que matériaux thermoélectriques, offrant une efficacité inégalée dans la conversion de la chaleur en électricité. Cette découverte remet en question les idées traditionnelles sur les métaux dans les thermoélectriques et ouvre de nouvelles possibilités pour leur application dans diverses technologies. Dessin schématique de l’effet thermoélectrique dans les alliages nickel-or. Crédit : Fabian Garmroudi
Les matériaux thermoélectriques, capables de convertir la chaleur directement en énergie électrique et vice versa, attirent l’attention en raison de leur potentiel technologique. Les chercheurs de la TU Wien ont exploré différents alliages métalliques pour trouver le matériau thermoélectrique le plus efficace.
Un mélange de nickel et d’or s’est révélé particulièrement prometteur. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la célèbre revue Avancées scientifiques.
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 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 thermiquement excité 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.
Michael Parzer, Fabian Garmroudi et Andrej Pustogow (de gauche), en arrière-plan un tableau périodique montrant la structure électronique de tous les éléments solides. Crédit : TU Vienne
« 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, la performance thermoélectrique augmente rapidement. L’origine physique de l’effet Seebeck amélioré trouve son origine dans le comportement de diffusion des électrons en fonction de l’énergie – un effet fondamentalement différent de celui des thermoélectriques semi-conducteurs.
Tableau périodique qui représente la structure électronique de tous les éléments solides. Crédits : Fabian Garmroudi, Michael Parzer, Andrej Pustogow
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 entendu, la personne sur la voie libre avance plus vite que l’adversaire, qui doit ralentir et changer de direction beaucoup plus souvent », compare Andrej Pustogow, auteur principal de l’étude sur le 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 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 celles des alliages conventionnels. semi-conducteurs de loin.
« Avec la même géométrie et le même gradient de température fixe, il serait possible de générer bien plus d’énergie électrique que dans tout 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, notre travail représente 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.
