Un nouveau matériau pourrait transformer la chaleur en électricité

Pendant des décennies, les physiciens se sont essayés à trouver des moyens de convertir la chaleur en électricité directement. Les matériaux dits thermoélectriques utilisent les différences de température pour conduire des électrons à partir d’une extrémité à l’autre. Les électrons déplacés créent une tension qui peut à son tour être utilisée pour alimenter d’autres équipements comme une batterie. Mais, les technologies actuelles peuvent transformer que 5 à 7% de l’énergie thermique en électricité. Donc, pour rendre meilleur la thermoélectrique il faut trouver des matériaux qui conduisent l’électricité, mais pas la chaleur. Récemment, certains scientifiques de la Northwestern University ont créé un nouveau matériau de tellurure de plomb et croient que le matériau est capable de convertir la chaleur résiduelle en électricité.

Mercouri G. Kanatzidis est un chimiste de l’inorganique à l’Université Northwestern à Evanston, dans l’Illinois. Il voulait construire un nouveau matériau qui pourrait être un meilleur thermoélectrique. Ainsi, lui et son équipe ont commencé à y travailler en 2004 avec le plus connu thermoélectrique : tellurure de plomb (PbTe). PbTe a une structure en treillis ordonné. Tout d’abord, l’équipe a éparpillé le tellurure de plomb dans quelques atomes de sodium pour augmenter la conductivité électrique de PbTe. Puis ils l’ont essayé avec un autre matériau thermoélectrique : strontium tellurure (SRTE). Les cristaux ont permis aux électrons de passer mais n’ont perturbé le flux de chaleur qu’à des échelles courtes tout en préservant le gradient de température. Afin de stopper le flux de chaleur sur de longues échelles, l’équipe a créé une version fracturé de leur cristal thermoélectrique. Les fissures ont permis aux électrons de se déplacer mais en reflètant des vibrations thermiques dans le cristal.

Mercouri G. Kanatzidis dit: “Notre système est le système thermoélectrique le plus performant à n’importe quelle température. Le matériau peut convertir la chaleur en électricité avec la plus grande efficacité possible. A ce niveau, il y a des perspectives réalistes pour récupérer la chaleur perdue à haute température et la transformer en énergie utile.”

Les scientifiques ont évalué les performances du matériau thermoélectrique par une mesure connue sous le nom ZT. Il peut calculer la capacité des matériaux à produire une tension, sa capacité de conduire l’électricité (qui devrait être élevé) et sa capacité de conduire la chaleur (qui doit être faible). Plus le matériau a un ZT élevé, plus il est efficace à convertir la chaleur en électricité. Après de longues expériences, les chercheurs ont obtenu les meilleures valeurs de ZT comprise entre 1,6 et 1,8. Mais plus tard, le matériau nouvellement développé a réalisé un record du monde du ZT de 2,2 à 642°C.

Kanatzidis dit: “Chaque fois qu’un phonon est dispersée, la conductivité thermique devient plus faible, ce dont nous voulons pour une efficacité accrue.”

Un phonon est un quantum d’énergie de vibration et chacun a une longueur d’onde différente. Lorsque la chaleur circule à travers un matériau, un spectre de phonons doit être diffusée à différentes longueurs d’onde (à court, moyen et long terme). Toutefois, le matériel nouvellement créé a un rendement de conversion de 15% qui est presque deux fois supérieur à celui des thermoélectrique PbTe normales. Le matériau nouvellement créé fonctionne de façon optimale à 650°C de température. Les chercheurs espèrent que ce nouveau matériau pourrait être utilisé dans les centrales électriques et les installations industrielles pour produire l’énergie électrique avec la masse non négligeable d’énergie thermique qui y est produite. La performance du nouveau matériel est près de 30% plus efficace que son prédécesseur. Les chercheurs croient qu’à 650°C de température, le matériau nouvellement développé peut convertir l’énergie thermique en énergie électrique 20% de plus par rapport à celles d’aujourd’hui.

Le matériel n’est pas très cher. Il peut être utilisé pour créer des systèmes thermoélectriques plus viables et efficaces. Maintenant, Kanatzidis et ses collègues veulent concevoir des matériaux avec des valeurs de ZT encore plus élevées; peut-être 2,5 ou 3 (ZT à 3 est d’environ 2,4 fois plus efficace que ZT à 1). Ils veulent également développer des matériaux thermoélectriques qui ne nécessitent pas de tellure, car il est aussi rare que le platine. Au contraire, ils peuvent utiliser le séléniure de plomb et le sulfure de plomb.

Si vous voulez en savoir plus, vous pouvez lire l’article de la revue Nature où les chercheurs ont décrit le nouveau matériau thermoélectrique.