En route vers de meilleurs matériaux thermoélectriques

Une équipe de chercheurs danois a publié dans la revue "Nature Materials" les résultats d’une étude offrant de nouveaux éclairages sur les propriétés des matériaux thermoélectriques. A long terme, elle espère que la meilleure compréhension du fonctionnement de ces matériaux permettra l’amélioration du rendement énergétique de nos voitures ainsi que le développement de systèmes de refroidissement de moins en moins gourmands en énergie et n’émettant aucun gaz à effet de serre.

La thermoélectricité fut découverte puis comprise au cours du XIXème siècle. En 1821, l’Allemand Thomas Johann Seebeck remarqua ainsi qu’une différence de potentiel électrique apparaît à la jonction de deux matériaux conducteurs soumis à une différence de température. Ce phénomène physique permet de convertir directement de la chaleur en électricité ou, à l’inverse, de créer un flux de chaleur à partir d’un courant électrique.

Mais les installations thermoélectriques souffraient jusqu’à présent d’un coût élevé et de faibles rendements. Les matériaux utilisés doivent en effet offrir à la fois une très bonne conductivité électrique, une faible conductivité thermique ainsi qu’un bon pouvoir thermoélectrique (coefficients de Seebeck, Peltier et Thomson). Les conjonctures énergétique et environnementale actuelles ont relancé la recherche sur ces matériaux de manière significative. Les résultats présentés par l’Université d’Aarhus, l’Université de Copenhague et le laboratoire RISØ de l’Université Technique du Danemark s’inscrivent dans cette nouvelle vague et devraient contribuer à accélérer la recherche de par le monde.

Leur étude décrit en effet avec précision pourquoi certains matériaux peuvent être très faiblement thermoconducteurs sans que leurs propriétés électriques ne soient pour autant dégradées. La compréhension de ce phénomène pourrait être d’une importance cruciale, notamment pour la récupération de la chaleur dissipée par les moteurs. Selon Bo Iversen du laboratoire INANO de l’Université d’Aarhus, une utilisation optimale des matériaux thermoélectriques contribuerait ainsi à diminuer la consommation de nos véhicules. Les constructeurs annoncent d’ailleurs pour bientôt la production des premiers modèles utilisant cette technologie.

Leurs travaux de recherche ont porté sur les propriétés de l’un des matériaux thermoélectriques les plus prometteurs de la famille des clathrates, dont le cristal est rempli de nano-cages.

"En plaçant un atome lourd au coeur de chaque nano-cage, nous savions déjà que nous pouvions réduire la capacité du cristal à conduire la chaleur" explique Asger Abrahamsen, chercheur au laboratoire RISØ. "Nous pensions cependant que les mouvements aléatoires de l’atome dans la cage étaient seuls responsables du phénomène".

Les chercheurs ont utilisé la technique de la diffusion neutronique qui permet d’observer les mouvements des atomes à l’intérieur du matériau. Ils ont ainsi compris que les propriétés thermoélectriques étaient en fait déterminées par le mouvement global de la nano-cage dans la structure, qui est influencé par l’atome lourd s’y trouvant. Cette découverte devrait être exploitée pour le développement de nouveaux matériaux plus efficaces énergétiquement.

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