NITU MISiS a développé une méthode économique pour la synthèse rapide de matériaux thermoélectriques très efficaces

Les employés du Center for Energy Efficiency NUST «MISiS» ont développé un moyen économique et rapide de produire le matériau à partir duquel des générateurs thermoélectriques hautes performances pour les engins spatiaux sont fabriqués. Un tel matériau est capable de convertir directement l'énergie thermique en énergie électrique. Un article avec les résultats des travaux a été publié dans le Journal of Materials Chemistry A.


Chef du Centre pour l'efficacité énergétique NUST «MISiS», docteur en philosophie, le professeur Vladimir Vasilievich Hovaylo.

L'effet de la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique a été découvert en 1821 par le physicien allemand Thomas Seebeck. Cependant, les technologies permettant d'utiliser l'effet Seebeck à l'échelle industrielle sont encore loin d'être parfaites - l'humanité apprend seulement à créer des matériaux thermoélectriques, et la plupart des développements n'ont pas encore quitté le laboratoire. Cependant, les matériaux thermoélectriques activement utilisé dans l'énergie, les unités de réfrigération. Des générateurs thermoélectriques alimentés par la chaleur de la désintégration radioactive sont installés sur des engins spatiaux de renommée mondiale tels que Cassini, qui étudie les environs de Saturne, et New Horizon, qui explore Pluton et la ceinture de Kuiper. Sur le même principe, le générateur électrique du rover Curiosity fonctionne. Il existe des exemples plus banals: par exemple, recevoir de l'électricité à partir de la chaleur transmise par les éléments du système d'échappement d'une voiture. Le développement de générateurs thermoélectriques capables d'augmenter l'efficacité de différents types de centrales électriques est également en cours.


Micrographie de cristaux CoSb3 avec des inclusions d'indium (échelle - 10 micromètres)

Le matériel créé par les scientifiques de NUST «MISiS» reconstituera la ligne des développements universitaires pour l'espace.

«Nous coopérons activement avec des représentants de l'industrie aéronautique et spatiale », a déclaré la rectrice de NUST «MISiS» Alevtina Chernikova . - À l'heure actuelle, les scientifiques de notre université mènent une trentaine de projets de recherche commandés par l'industrie aérospatiale. Y compris avec United Aircraft Corporation, qui souhaite introduire un certain nombre de développements universitaires pour résoudre les tâches stratégiques de la société. »

Les matériaux thermoélectriques obtenus au MISiS NITU combinent deux «types» d'atomes: fixés rigidement dans les nœuds du réseau cristallin, qui fournit une conductivité électrique élevée, et vibrant librement, ce qui réduit fortement la conductivité thermique, car les atomes faiblement liés au cadre cristallin dissipent efficacement la chaleur. Cette combinaison a été obtenue en créant des composés intermétalliques dont la structure cristalline contient des vides. En les remplissant d'atomes "invités" sans briser le réseau cristallin, les scientifiques obtiennent la combinaison de propriétés nécessaire. Plus la conductivité électrique de la substance résultante est élevée et plus la conductivité thermique est faible, plus le paramètre clé des matériaux thermoélectriques est élevé - valeur thermoélectrique du mérite.

L'un des matériaux les plus prometteurs était la scutterudite - le composé intermétallique de cobalt et d'antimoine - CoSb3. Le facteur de qualité maximum se produit dans ce matériau avec une différence de température de surface de 400 à 500 degrés. À titre de comparaison, dans le matériau thermoélectrique le plus célèbre - le tellurure de bismuth, le maximum se produit à une différence de température de 100 à 150 degrés et atteint une valeur de ZT = 1,2.


Micrographie de cristaux CoSb3 avec inclusions d'indium (échelle - 5 micromètres)

Afin d'atteindre un facteur de qualité élevé dans le cas du système antimoine-cobalt (ZT = 1,4), il est nécessaire d'utiliser des éléments de terres rares, par exemple l'ytterbium, comme métal ou de combiner deux métaux coûteux à la fois. Et le facteur de qualité de 1,8 n'a été obtenu qu'en introduisant des atomes de trois métaux différents dans le réseau cristallin.

«Nous avons réussi à résoudre le problème en utilisant l'indium comme charge et en sélectionnant le rapport initial de métaux, ce qui nous a permis de synthétiser la composition thermoélectrique souhaitée dans un réacteur ouvert », explique Andrey Voronin , membre du groupe scientifique, employé du Energy Efficiency Center de NUST MISiS . « Grâce à cette approche, nous avons pu effectuer la synthèse dans un réacteur ouvert en seulement deux minutes, puis recuire l'échantillon résultant pendant 5 heures.» La combinaison du matériau utilisé et des caractéristiques du processus de synthèse a accéléré le processus de création plusieurs dizaines de fois, ce qui affecte également le coût d'obtention de ces matériaux. De plus, les valeurs obtenues de la valeur thermoélectrique du mérite ZT = 1,5 sont devenues des records pour les skutterudites avec un type d'atomes «invités» » .


Andrei Voronin, employé du Center for Energy Efficiency, Université nationale des sciences et technologies «MISiS» dans le contexte d'un frittage d'étincelles électriques

Comme le disent les auteurs des nouveaux travaux, les schémas précédemment proposés pour la production de matériaux thermoélectriques étaient coûteux non seulement en raison des métaux utilisés. Ils comprenaient une synthèse de deux semaines du mélange réactionnel dans des ampoules à vide. Il est très difficile d'obtenir un tel matériau par d'autres moyens en raison du fait que l'antimoine est un métal volatil. Et lors d'une fusion prolongée, l'évaporation de l'antimoine peut conduire à la formation d'un sous-produit indésirable, la phase CoSb2, qui présente des caractéristiques totalement inutiles du point de vue de la thermoélectricité.