Les switches thermiques au cérium établissent de nouveaux records de performance

Le contrôle de la chaleur dans les systèmes électroniques et énergétiques représente un défi technique complexe. La gestion thermique, souvent ignorée, joue pourtant un rôle essentiel dans l’efficacité et la durabilité des technologies modernes. Comment peut-on améliorer cette gestion tout en respectant les impératifs écologiques et économiques de notre époque ?

Les commutateurs thermiques basés sur l’oxyde de cérium ont démontré une performance exceptionnelle, permettant un contrôle du flux de chaleur à la fois durable et efficace. Leur utilisation a été activement promue dans le cadre de la gestion thermique avancée.

La maîtrise du transfert de chaleur par voie électrique est jugée indispensable pour les systèmes de gestion thermique sophistiqués. Les commutateurs thermiques électrochimiques, en raison de leurs performances limitées, ont souvent été un frein à leur adoption massive dans les secteurs de l’électronique, de l’énergie et de la récupération de la chaleur perdue.

Une équipe de recherche, dirigée par le professeur Hiromichi Ohta de l’Institut de recherche pour la science électronique de l’Université de Hokkaido, a mis en œuvre une approche innovante. Ils ont utilisé des films minces d’oxyde de cérium (CeO2) comme matériau actif dans les commutateurs thermiques, offrant ainsi une alternative efficace et durable.

Leurs travaux ont été publiés dans Science Advances, confirmant que les performances des commutateurs thermiques à base de CeO2 surpassent largement les standards précédents. Le professeur Ohta a souligné : « Les nouveaux dispositifs présentent un rapport de conductivité thermique on/off de 5,8 et une largeur de commutation de conductivité thermique (κ) de 10,3 W/m·K, établissant ainsi une nouvelle référence pour les commutateurs thermiques électrochimiques. »

L’équipe a démontré que la conductivité thermique dans leur état minimal (off) est de 2,2 W/m·K, mais qu’elle augmente significativement à 12,5 W/m·K lorsqu’ils sont oxydés (on). Ces indicateurs de performance restent stables après 100 cycles de réduction et d’oxydation, prouvant une durabilité et une fiabilité remarquables pour un usage prolongé en applications pratiques.

L’oxyde de cérium se distingue par son abondance naturelle, son viabilité économique et sa durabilité écologique. Contrairement aux commutateurs thermiques traditionnels qui dépendent de matériaux rares et coûteux, le CeO2 propose une solution alternative, disponible et respectueuse de l’environnement, diminuant ainsi les coûts et l’empreinte écologique des solutions de gestion thermique. Cette approche améliore l’efficacité de la technologie, sa capacité à être mise à l’échelle et son applicabilité dans divers secteurs industriels.

Le développement de ces commutateurs thermiques en oxyde de cérium ouvre de nouvelles possibilités dans la gestion thermique, avec des applications dans des domaines tels que le refroidissement électronique et les systèmes d’énergie renouvelable. Employés dans des obturateurs thermiques et des affichages avancés, ils régulent efficacement le transfert de chaleur par infrarouge, améliorent la récupération de la chaleur résiduelle et contribuent à des systèmes énergétiquement efficaces.

Grâce à l’abondance et à la durabilité de l’oxyde de cérium, ces commutateurs promettent non seulement d’améliorer les performances thermiques mais aussi de réduire significativement l’impact environnemental des technologies de gestion thermique. Leur capacité à fonctionner après des centaines de cycles sans perte de performance les rend particulièrement attractifs pour des applications industrielles à long terme.

Légende illustration : Représentation artistique d’un interrupteur thermique. (crédit : Hiromichi Ohta)

Ahrong Jeong, Mitsuki Yoshimura, et al. High-performance solid-state electrochemical thermal switches with earth-abundant cerium oxide. Science Advances. January 1, 2025. – DOI: 10.1126/sciadv.ads6137

Source : Université de Hokkaido