Une équipe de recherche a développé un matériau thermoelectrique écologique et haute performance à base de sélénure d’argent (Ag₂Se), fabriqué dans des conditions de température et de pression significativement plus douces que les méthodes conventionnelles. Ce matériau pourrait être utilisé pour convertir la chaleur perdue en électricité, améliorant l’efficacité énergétique.
Les matériaux thermodélectriques (TE), qui peuvent convertir directement la chaleur en électricité et vice versa, suscitent une attention considérable en tant que technologies énergétiques clés pour des applications telles que le refroidissement électronique et la récupération de chaleur perdue.
Une équipe de recherche dirigée par le Dr Young Hun Kang à l’Institut coréen de recherche en technologie chimique (KRICT) a développé un matériau thermodélectrique haute performance et écologique à base de sélénidure d’argent (Ag₂Se), fabriqué dans des conditions de température et de pression bien plus douces que les méthodes conventionnelles.
Les matériaux thermodélectriques fonctionnent sur deux principes principaux : l’effet Peltier, où un courant électrique induit un chauffage ou un refroidissement, et l’effet Seebeck, où l’électricité est générée à partir d’un gradient de température.
L’effet Peltier est largement utilisé dans les dispositifs de refroidissement tels que les composants informatiques et les réfrigérateurs portables, tandis que l’effet Seebeck est utilisé dans les générateurs thermodélectriques pour des applications comprenant les équipements d’exploration spatiale et la production d’électricité à partir de la chaleur perdue industrielle ou automobile.
Actuellement, les matériaux thermodélectriques commerciaux les plus utilisés sont à base de tellurure de bismuth (Bi₂Te₃). Cependant, ces matériaux dépendent d’éléments rares comme le tellure, qui souffrent d’une volatilité des prix et de préoccupations environnementales. De plus, leur fabrication implique généralement des processus complexes d’alliage et de dopage pour atteindre des performances élevées.
Pour répondre à ces limites, l’équipe de recherche a utilisé du sélénidure d’argent (Ag₂Se), un matériau composé d’éléments relativement abondants (Ag et Se), offrant une alternative plus simple et plus respectueuse de l’environnement.
L’équipe a synthétisé des nanoparticules de Ag₂Se par un procédé en solution et a introduit un excès de sélénium pour concevoir une composition riche en sélénium (Ag₂Se₁.₂). Grâce à un simple traitement thermique, ils ont réussi à fabriquer un matériau thermodélectrique massif et dense.
Le mécanisme clé réside dans l’exploitation du point de fusion relativement bas du sélénium. Pendant le recuit, le sélénium passe en phase liquide et s’infiltre dans les vides interparticulaires entre les grains de Ag₂Se, favorisant la croissance des grains assistée par phase liquide et la densification. Ce processus améliore la connectivité des grains tout en réduisant la porosité, ce qui se traduit par une conductivité électrique améliorée et une conductivité thermique du réseau réduite.
Comme rapporté dans l’étude, le matériau optimisé Ag₂Se₁.₂ a atteint un facteur de mérite maximal (zT) de 0,927 à 393 K (environ 120°C), approchant les performances des matériaux commerciaux à base de Bi₂Te₃.
De plus, le matériau a montré une amélioration de plus du double de la résistance à la compression et du module de Young, permettant des performances mécaniques robustes et une applicabilité à des géométries de dispositifs complexes ou incurvées.
Notamment, le procédé développé permet la formation de structures massives denses par un simple recuit à environ 350°C sous pression ambiante, éliminant le besoin des processus de frittage conventionnels à haute température (~1000°C) ou haute pression (des centaines de MPa). Cela représente une avancée significative dans la simplification du procédé et la réduction des coûts.
Cette technologie devrait être applicable aux systèmes de production d’électricité à petite échelle qui convertissent la chaleur en électricité dans les processus industriels, les centres de données et les systèmes solaires thermiques. À long terme, elle promet également d’être une source d’alimentation pour les dispositifs IoT portables et les capteurs de santé.
L’équipe de recherche a déclaré : « La réalisation clé est la fabrication de matériaux thermodélectriques hautes performances sans dopage complexe ni processus à haute température et haute pression. »
Article : Facile and scalable strategy for fabricating dense bulk Ag2Se as a highperformance thermoelectric material – Journal : Advanced Composites and Hybrid Materials – DOI : Lien vers l’étude
Source : KRICT
