Le buzz autour de la thermoélectrique s’intensifie avec de nouveaux matériaux prometteurs à base de magnésium


Le buzz autour de la thermoélectrique s'intensifie avec de nouveaux matériaux prometteurs à base de magnésium

Une représentation du cristallin du composé thermoélectrique Mg3Sb2 (atomes de magnésium en orange, antimoine en bleu). Lorsque la chaleur traverse le matériau, un courant électrique est généré, alimenté par des ondes phonons. Crédit photo : ORNL / Jill Hemman

L’atterrissage du rover Perseverance de la NASA a été un autre pas en avant, non seulement pour l’exploration spatiale, mais aussi pour la qui alimente le vaisseau spatial lors de sa mission d’un an sur Mars – un générateur thermoélectrique qui convertit la chaleur en électricité.

À la recherche du prochain saut dans les technologies thermoélectriques, des chercheurs de l’Université Duke et de l’Université d’État du Michigan ont acquis de nouvelles connaissances fondamentales sur deux matériaux à de magnésium (Mg3Sb2 et mg3Bi2), qui ont le potentiel de surpasser considérablement les conceptions thermoélectriques conventionnelles et seraient également plus respectueux de l’environnement et moins coûteux à fabriquer. Contrairement à l’opinion scientifique dominante sur l’utilisation d’éléments lourds, les chercheurs ont montré que le remplacement des atomes d’éléments lourds comme le calcium et l’ytterbium par des atomes de magnésium plus légers entraînait en fait une multiplication par trois des performances des matériaux à base de magnésium.

Dans ses recherches publiées dans la revue Avancées scientifiques, l’équipe a utilisé des expériences de diffusion de neutrons et de rayons X dans les laboratoires nationaux du ministère de l’Énergie (DOE) d’Oak Ridge (ORNL) et d’Argonne, ainsi que des simulations de superordinateurs au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Des recherches au niveau atomique ont révélé l’origine et le mécanisme de la capacité des matériaux à convertir l’énergie thermique en électricité à ambiante. Les résultats montrent de nouvelles façons possibles d’améliorer les applications thermoélectriques, telles que le Rover Perseverance et d’innombrables autres appareils et technologies pour la production d’électricité.

Les matériaux thermoélectriques génèrent essentiellement une tension à partir d’une différence de température entre les côtés chaud et froid du matériau. En convertissant l’énergie thermique en électricité ou vice versa, les dispositifs thermoélectriques peuvent être utilisés pour le refroidissement ou pour produire de l’électricité à partir de la chaleur des gaz d’échappement.

« Les matériaux thermoélectriques conventionnels sont basés sur des éléments lourds tels que le plomb, le bismuth et le tellure – des éléments qui ne sont pas très respectueux de l’environnement et ne sont pas non plus très courants, ils sont donc généralement chers », a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé à Herzog. « Le magnésium, en revanche, est plus léger et plus abondant, ce qui en fait un matériau idéal pour les transports et les applications spatiales, par exemple. »

En règle générale, a expliqué Delaire, les matériaux plus légers ne sont pas bien adaptés aux conceptions thermoélectriques car leur conductivité thermique est trop élevée, ce qui signifie qu’ils transfèrent trop de chaleur pour maintenir le différentiel de température nécessaire pour créer la tension. Les matériaux plus lourds sont généralement plus souhaitables car ils conduisent moins de chaleur et leur permettent de stocker et de convertir l’énergie thermique plus efficacement.

« Cependant, malgré une faible densité de masse, ces matériaux de magnésium ont une conductivité thermoélectrique remarquablement faible. Ces propriétés pourraient potentiellement ouvrir la porte au développement de nouveaux types de thermoélectriques qui ne reposent pas sur des matériaux lourds contenant des éléments toxiques », a déclaré Delaire.

Les matériaux de magnésium étudiés par l’équipe appartiennent à une classe plus large de composés métalliques appelés zintls. La structure atomique ou la disposition des atomes dans les composés de Zintl est telle qu’il est relativement facile d’expérimenter et de remplacer différents éléments dans le matériau – par exemple, remplacer un élément lourd par un élément léger pour obtenir des performances et une fonctionnalité optimales.

« Dans les études chimiques, explorer les possibilités de nouveaux matériaux consiste souvent à remplacer un élément par un autre juste pour voir ce qui se passe. Nous les remplaçons généralement par des éléments chimiquement similaires du tableau périodique, et l’un des grands avantages de l’utilisation de Zintls est que nous pouvons expérimenter « avec de nombreux éléments différents et différentes combinaisons », a déclaré le premier auteur de l’article, Jingxuan Ding, chercheur diplômé en le groupe Delaire à Duke : « Personne ne s’attendait à ce que le magnésium soit un meilleur composé, mais lorsque notre personnel au Michigan l’a mis dans les ingrédients des matériaux, nous avons été surpris que ce soit en fait. L’étape suivante consistait à découvrir pourquoi. »

Les atomes d’un matériau ne sont pas statiques ou immobiles ; ils vibrent avec des amplitudes qui augmentent avec des températures plus élevées. Les vibrations collectives créent un effet d’entraînement appelé phonon qui ressemble à des ondulations à la surface d’un étang. Ces ondes transportent de la chaleur à travers un matériau, c’est pourquoi la mesure des vibrations des phonons est importante pour déterminer la conductivité thermique d’un matériau.

Les neutrons sont parfaits pour étudier les phénomènes quantiques comme les phonons, car les neutrons n’ont aucune charge et peuvent interagir avec les noyaux. Delaire a comparé les interactions neutroniques au pincement d’une corde de guitare en ce sens qu’elles peuvent transférer de l’énergie aux atomes pour stimuler les vibrations et obtenir des informations cachées sur les atomes d’un matériau.

L’équipe a utilisé le spectromètre à découpage à large plage angulaire (ARCS) sur la source de neutrons de spallation (SNS) de l’ORNL pour mesurer les vibrations des phonons. Avec les données obtenues, ils ont pu attribuer la faible conductivité thermique favorable des matériaux à une liaison spéciale de magnésium, qui interfère avec la propagation des ondes phononiques à travers le matériau en interférant les unes avec les autres.

« Les neutrons sont l’un des meilleurs moyens de mesurer les vibrations atomiques lorsque nous les étudions dans ces matériaux », a déclaré Ding. « ARCS peut détecter une large gamme de fréquences et de longueurs d’, ce qui nous aide à mesurer les ondes de phonons présentes dans le matériau. C’est exactement ce dont nous avons besoin pour mieux comprendre le fonctionnement de ces matériaux à faible conductivité thermique. »

Les mesures de diffusion des neutrons ont fourni à l’équipe de recherche un aperçu complet de la dynamique interne des matériaux magnésium-zintl, ce qui a permis de guider et d’affiner les simulations informatiques et les expériences de rayons X ultérieures sous la direction de Ding. Ceux-ci ont été utilisés pour construire une compréhension complète des origines de la conductivité thermique des matériaux.

Des expériences de rayons X complémentaires à la source de photons avancée (APS) d’Argonne ont été utilisées pour agrandir certains modes de phonons dans des échantillons de cristaux qui sont trop petits pour les mesures de neutrons. Les mesures des neutrons et des rayons X concordaient avec les simulations du supercalculateur NERSC.

Outre Ding et Delaire, Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said et Alexandra Zevalkink sont parmi les co-auteurs de l’article.

« La thermoélectrique est essentielle dans des applications comme le Mars Perseverance Rover qui nécessitent des conceptions plus simples, plus légères et plus fiables au lieu des moteurs encombrants avec des pièces mobiles traditionnellement utilisés pour générer de l’électricité à partir de la chaleur », a déclaré Delaire. « Ces matériaux à base de magnésium constituent une avancée majeure dans ce domaine qui pourraient offrir une efficacité énergétique considérablement plus élevée et un grand potentiel pour des applications thermoélectriques plus avancées. »


La dynamique atomique « disquette » aide à convertir la chaleur en électricité


Plus d’information:
Jingxuan Ding et al., Phonons anharmoniques doux et conductivité thermique ultra-faible dans les thermoélectriques Mg3 (Sb, Bi) 2, Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126 / sciadv.abg1449

Avec l’aimable autorisation du Laboratoire national d’Oak Ridge

Citation: Le buzz sur la thermoélectricité se réchauffe avec de nouveaux matériaux prometteurs à base de magnésium (23 juillet 21), consulté le 23 juillet 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-07-thermoelectrics-magnesium-based-materials .html

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