Capter l'électricité par un nouveau système efficace

Science Chine Presse

image : (a) Schéma de principe montrant l'assemblage d'un module à base de Mg3Sb2 par frittage à haute température assisté par pression. Des charges de brasage Al-Si-Cu sont utilisées. (b) Assemblage d'un module à base de Mg3Sb2 par assemblage basse température et basse pression à l'aide d'une pâte composite Ag. ( c ) Changement de masse et flux de chaleur pour la pâte composite Ag pendant 10 cycles thermiques de 523 K à 773 K. ( d ) Comparaison du changement de résistance avant et après brasage avec la pâte composite Ag.Voir plus

Crédit : ©Science China Press

En tant que l'une des solutions les plus prometteuses pour améliorer l'efficacité d'utilisation des combustibles fossiles et réduire la pollution de l'environnement, la technologie de production d'énergie thermoélectrique (TE) présente les avantages d'un fonctionnement à semi-conducteurs, d'un fonctionnement sans pièces mobiles, d'une maintenance gratuite et d'un service prolongé. Au cours des dernières décennies, des efforts considérables ont été déployés pour améliorer les performances des matériaux TE. Et d'excellents alliages apparaissent, tels que les composés IV-VI (par exemple SnSe, GeTe et PbSe), les skutterudites et Cu2Se. Ces avancées sans précédent dans l'amélioration des performances des matériaux TE sont une étape importante qui annonce des applications généralisées des dispositifs TE. Cependant, les progrès de la technologie des appareils TE ont progressé moins rapidement. Les efforts actuels se concentrent principalement sur les problèmes de jambe unique ou d'unicouple, tels que la conception des électrodes, le criblage des couches barrières et l'optimisation de l'interface. Une seule jambe est très utile pour évaluer le potentiel d'un matériau TE particulier, mais est encore loin des applications pratiques. Pour les applications industrielles, des modules constitués à la fois de matériaux TE de type n et de type p doivent être développés. Néanmoins, le développement de modules est plus difficile que la fabrication d'un seul pied. D'autres problèmes devraient être traités de manière approfondie, tels que le développement de matériaux TE correspondants de type n et de type p, l'optimisation de la géométrie des jambes TE, le soudage et l'assemblage de plusieurs jambes et l'évaluation de l'efficacité et de la fiabilité des modules. De plus, la plupart des composants TE actuellement utilisés ou étudiés contiennent des éléments rares (par exemple Te) ou des éléments toxiques (par exemple Pb), présentant un obstacle potentiel aux applications à grande échelle.

Ces dernières années, les composés à base de Mg3Sb2 ont suscité un intérêt considérable de la part de la communauté TE en raison de leur nature non toxique, de leur abondance d'éléments constitutifs et de leur excellente robustesse mécanique. Inspirées par la transition du Mg3Sb2 de type p en Mg3Sb2 de type n, les recherches ultérieures sur ce type de composé ont prospéré. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des cinq dernières années, permettant d'améliorer les performances de TE. Ce résultat encourageant fait des composés à base de Mg3Sb2 à faible coût et respectueux de l'environnement des substituts prometteurs aux alliages de pointe contenant du Te ou du Pb pour la production d'énergie TE à température moyenne. Et cela a récemment suscité un intérêt de recherche intensif pour le développement de leurs appareils. Au niveau d'une branche unique, des efforts ont été faits en termes de synthèse évolutive de Mg3Sb2 de type n, de conception d'interfaces de jonction fiables et de criblage de couches barrières. Un résultat remarquable est qu'une efficacité à une seule branche d'environ 10 % pourrait être obtenue à une différence de température de 400 K avec une température de source de chaleur de 700 K, ce qui indique un bon potentiel pour les applications de production d'électricité à moyenne température. Au niveau de l'unicouple ou du module, différents composés TE de type p, tels que Bi2Te3, MgAgSb, GeTe, CdSb et CoSb3, ont été utilisés pour l'appariement avec n-Mg3Sb2. Les modules fabriqués à partir de différentes combinaisons de matériaux ont offert des performances de production d'énergie exceptionnelles dans la plage de températures basses et moyennes.

Cependant, il est à noter que ces modules sont tous fabriqués à l'aide de composés TE de type n et p de parents différents. En raison des propriétés TE et chimiques différentes de ces alliages de type n et p, une conception de géométrie de dispositif encombrante et la sélection individuelle de couches barrières appropriées sont nécessaires. Plus important encore, les modules TE pour la production d'électricité fonctionnent généralement à des gradients de température importants (par exemple, 300 ~ 500 K pour les applications de production d'électricité à température moyenne) et à des températures fluctuantes, de sorte que les différences de paramètres physiques des matériaux TE de type n et p, tels que le coefficient de dilatation thermique, entraînera des contraintes thermiques élevées qui peuvent facilement conduire à une défaillance de l'appareil pendant le service. De plus, les différences de point de fusion et d'usinabilité des différents matériaux TE de type n et p imposent des contraintes supplémentaires sur le processus de soudage et d'assemblage. Par conséquent, il existe un fort désir de développer des modules TE efficaces et robustes en utilisant les mêmes composés TE parents, de sorte qu'une excellente correspondance des propriétés des matériaux facilitera la fabrication des modules et assurera un fonctionnement stable à long terme. Et cela a été bien démontré dans des applications réelles, par exemple, les modules Bi2Te3 disponibles dans le commerce, les modules PbTe et les modules SiGe utilisés par la NASA dans l'exploration de l'espace lointain, qui sont tous fabriqués à partir des mêmes matériaux TE parents de type n et p. .

En réponse à ce défi, récemment, l'équipe de recherche TE dirigée par le professeur Wan Jiang et Lianjun Wang de l'Université Donghua (DHU) et le docteur Qihao Zhang de l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux de Dresde (IFW Dresde) a développé de nouveaux modules TE consistant en des alliages à base de Mg3Sb2 de type n et de type p. Les pastilles à base de Mg3Sb2 de même parent de type p et de type n sont fabriquées à l'aide d'un alliage mécanique et d'un frittage par plasma d'étincelle. Ces deux composés présentent des propriétés TE et mécaniques bien adaptées en raison de leurs structures cristallines analogues et de leurs compositions chimiques similaires. Les simulations par éléments finis confirment que le rapport optimal de la section transversale des jambes pour atteindre l'efficacité de conversion maximale est d'environ 1,0, ce qui est favorable à l'assemblage des modules. Les calculs de couplage thermomécanique montrent que les contraintes thermiques causées par la différence de dilatation thermique entre les éléments TE de type p et n sont minimisées. Le fer est utilisé comme couche barrière de diffusion pour les pattes de type n et de type p. Et un processus de frittage en une étape est adopté pour fabriquer les joints TE, ce qui permet une liaison solide avec une faible résistivité de contact interfaciale. De plus, des modules TE entièrement à base de Mg3Sb2 sont fabriqués en développant un nouveau procédé d'assemblage utilisant des pâtes composites Ag qui permet un assemblage à basse température, capable de résister à des températures de service plus élevées. Tous ces efforts aboutissent à un module entièrement basé sur Mg3Sb2 avec un rendement élevé de 7,5 % pour capter l'énergie électrique à une température de source de chaleur de 673 K et une fiabilité exceptionnelle du module contre les cycles thermiques. Ces résultats illustrent avec succès le grand potentiel de développement de tous les modules à base de Mg3Sb2 pour la production efficace d'électricité à partir de chaleur résiduelle de faible qualité mais extrêmement abondante.

###

Voir l'article :

Modules thermoélectriques de même parent à haut rendement et fiables utilisant des composés à base de Mg3Sb2

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad095

Examen scientifique national

10.1093/nsr/nwad095

Clause de non-responsabilité: AAAS et EurekAlert ! ne sont pas responsables de l'exactitude des communiqués de presse publiés sur EurekAlert! par les institutions contributrices ou pour l'utilisation de toute information via le système EurekAlert.