Se i materiali termoelettrici possono convertire il calore di bassa qualità in elettricità, potremmo non aver mai più bisogno di ricaricare la tecnologia indossabile a casa.

Di notte, la maggior parte di noi collega un miscuglio di cavi e dispositivi mentre ricarichiamo i nostri orologi intelligenti, telefoni e fitness tracker. È una pila che difficilmente si ridurrà man mano che sempre più tecnologia indossabile entra nelle nostre vite. Produttori e futuristi prevedono che presto saranno autosufficienti dal punto di vista energetico e che saremo liberi dal loro disordine. Ma la domanda rimane:come? Al momento le uniche principali fonti di energia portatili sono i caricabatterie solari, ma questi hanno limitazioni significative sia all'interno che dopo il tramonto.

Kedar Hippalgaonkar, Jianwei Xu e i loro collaboratori presso l'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali (IMRE) di A*STAR pensano che presto potrebbero utilizzare il calore di scarto di bassa qualità, ad esempio i gas di scarico delle auto o il calore corporeo, per alimentare i dispositivi.

"Un'enorme quantità di calore di scarto di bassa qualità viene scaricata nell'ambiente", dice Hippalgaonkar. Convertire questo calore in elettricità è una grande opportunità da non perdere.

I generatori termoelettrici ad alta temperatura sono già una fonte fondamentale di energia per gli strumenti spaziali. Il rover su Marte, Curiosità, e la sonda spaziale interstellare, Viaggiatore 2, sfruttare il calore nucleare di lunga durata. Quest'ultimo funziona con questo tipo di alimentazione da oltre 40 anni. "La generazione di energia termoelettrica non è un'idea nuova, " spiega Hippalgaonkar. "È stato studiato fin dagli anni '50 e c'è stata molta ricerca su nuovi materiali, ma in passato la maggior parte del lavoro si concentrava su sostanze tossiche, materiali inorganici e applicazioni con alte temperature di esercizio."

Hippalgaonkar concorda sul fatto che la proliferazione di dispositivi Internet of Things ora porta con sé una richiesta di prodotti non tossici, fonti di energia portatili. I futuri sensori del corpo e i dispositivi portatili potrebbero essere indossati costantemente se sfruttassero il calore corporeo per essere autosufficienti dal punto di vista energetico. "Ma per farlo dobbiamo sviluppare nuovi materiali termoelettrici adatti che siano efficienti a temperature più basse, non tossico ed economico da produrre."

L'altra grande opportunità è quella di sfruttare il calore di scarto che esce attraverso lo scarico del motore delle auto, aerei o navi, Aggiunge. L'elettricità generata potrebbe quindi essere reimmessa nel veicolo, diminuendo la sua impronta ambientale.

Il progetto PHAROS di A*STAR si concentra sui materiali che renderanno possibili questi generatori termoelettrici. Il progetto quinquennale è iniziato nel 2016 e mira a trovare una composizione del materiale non tossica e, idealmente, Terra abbondante (rendendola a buon mercato), efficiente, e facile da fabbricare. Per fare questo stanno sviluppando materiali ibridi meno tossici che combinano elementi organici e inorganici, e stanno perseguendo quelli con il potenziale per la generazione di energia termoelettrica a bassa temperatura.

Il progetto riunisce Hippalgaonkar, fisico dello stato solido ed esperto del comportamento dei fononi, fotoni ed elettroni in nanoscala e materiali 2-D, e Jianwei Xu, un chimico con un ampio background di ricerca sui materiali organici, soprattutto polimeri semiconduttori.

Abbassare il calore sulla potenza termica

Per caricare dispositivi personali utilizzando materiali termoelettrici, un generatore sfrutta l'effetto Seebeck, in cui una differenza di temperatura crea una tensione elettrica alla giunzione tra due materiali diversi (spesso, ma non esclusivamente semiconduttori drogati p e n). Questa tensione può essere utilizzata per pilotare un dispositivo o caricare una batteria.

Ad oggi, i materiali termoelettrici più affermati e di successo sono stati basati su tellururi metallici, compreso il tellururo di piombo e il tellururo di bismuto. Questi sono disponibili in commercio e sono stati sfruttati come fonte di energia nello spazio, dove possono generare localmente elettricità per alimentare satelliti e sonde spaziali. Ma funzionano bene solo ad alte temperature, e nello spazio un isotopo nucleare a bordo viene utilizzato per generare questo calore e creare un differenziale di temperatura elevato. L'approccio può agire come un lungo termine, fonte di energia locale, ma i potenziali rischi per la salute delle radiazioni nucleari significano che non è adatto a molte applicazioni terrestri.

"C'è una mancanza di materiali efficienti che funzionino a temperatura ambiente ed è quello che vogliamo affrontare con il progetto PHAROS, " dice Xu. Tuttavia, è un compito impegnativo identificare nuovi materiali termoelettrici candidati, fabbricarli e poi capire cosa sta succedendo per caricare i trasferimenti al loro interno.

Ad oggi, il team PHAROS ha esplorato un'ampia varietà di polimeri semiconduttori coniugati (come polianilina, P3HT o PEDOT:PSS) per la componente organica dei loro ibridi, che vengono poi combinati con un componente inorganico costituito da, dire, nanofili di tellurio, nanoparticelle di silicio o materiali 2-D come MoS2, MoS2. Con questi, hanno studiato l'uso di nanotubi di carbonio come additivo.

Il team ha anche esplorato il potenziale termoelettrico delle perovskiti di ioduro di piombo di metilammonio1, un sistema di materiale ibrido inorganico-organico che è diventato famoso negli ultimi anni dopo il suo uso con successo nelle celle solari. Questo materiale ibrido rivaleggia con il silicio in termini di efficienza di conversione di potenza. Il grande vantaggio dell'utilizzo di un sistema parzialmente organico è che si adatta all'elaborazione della soluzione, che produce grandi superfici, magro, materiali flessibili che potrebbero essere stampati a getto d'inchiostro a basso costo.

Però, affinché un materiale termoelettrico funzioni bene, idealmente deve avere un coefficiente di Seebeck elevato, che è indicativo di quanto grande sarà la tensione generata per una data differenza di temperatura. Ed è anche importante che il materiale abbia un'elevata conduttività elettrica per consentire a una carica di fluire facilmente, insieme a una bassa conduttività termica per supportare il gradiente di temperatura in atto.

"È molto difficile ottenere questi attributi contemporaneamente, " dice Hippalgaonkar. "Idealmente si desidera trovare un materiale che combini la bassa conduttività termica del legno con l'elevata conduttività elettrica di un metallo e non è facile da fare".

Materiali con un punteggio perfetto

Per facilitare il confronto tra i materiali, qualcosa chiamato "valore ZT" è stato sviluppato per tenere conto del coefficiente di Seebeck, conduttività termica, conducibilità elettrica e temperatura. "Vogliamo davvero qualcosa che abbia uno ZT di circa 1, "dice Xu, anche se un numero ZT così alto non è necessario per molti usi. Attualmente, a 1 può essere ottenuto nel tellururo di bismuto e nel tellururo di piombo, ma entrambi i materiali sono tossici, costoso da produrre e rigido.

Recentemente, il team PHAROS ha sviluppato un materiale più sicuro che è il 10-20% della strada per una perfetta scheda di valutazione termoelettrica. Lo hanno fatto in collaborazione con i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) con sede negli Stati Uniti, ottimizzando un sistema di materiali che combina un polimero coniugato accuratamente progettato con nanofili di tellurio. incoraggiante, Sono stati raggiunti valori ZT di circa 0,1–0,22.

Questa scoperta è stata aiutata da Shuo-Wang Yang dell'Institute of High Performance Computing di A*Star e dal suo team, che ha contribuito a spiegare le interazioni tra i costituenti organici e inorganici dei materiali preparati dal team di Jeff Urban presso LBNL. Con il lavoro sperimentale e teorico svolto dal team di Hippalgaonkar, la fisica di come scorre la carica in questi materiali complessi è stata dettagliata per la prima volta, gettare solide basi per lo sviluppo futuro.

"L'interfaccia tra l'interfaccia organica e inorganica è molto importante da studiare, " spiega Hippalgaonkar. "La fisica di come la carica si muove attraverso un paesaggio così complesso è molto difficile da capire".

"La Termoelettrica sarà in grado di fornirti l'opportunità di realizzare sensori autoalimentati più velocemente, " dice Hippalgaonkar. I cardiofrequenzimetri ad esempio hanno esigenze energetiche molto modeste, sulla scala di poche centinaia di microwatt. Un materiale con ZT pari a 1 che opera con una differenza di temperatura di circa 10°C a temperatura ambiente genera circa 50 microwatt per centimetro quadrato, e, in teoria, Il materiale più recente di PHAROS potrebbe raggiungere 10 microwatt per centimetro quadrato. Così, l'energia termoelettrica indossabile su piccola scala è già allettantemente vicina alla realtà, dice Hippalgaonkar. E una volta che la sua promessa commerciale inizia a entrare in gioco, il loro lavoro accelererà solo.

Spiegazione dei generatori termoelettrici

Un generatore termoelettrico (TEG) è un dispositivo che converte una differenza di temperatura in una tensione, e gestisce il flusso di corrente elettrica attorno a un circuito. È un mezzo per convertire il calore di scarto in elettricità. Tali dispositivi funzionano per effetto Seebeck, che fu scoperto dal fisico tedesco Thomas Johann Seebeck nel 1821.

Un TEG viene in genere realizzato utilizzando semiconduttori drogati di tipo p e n per creare due percorsi che si collegano a elettrodi metallici di diverse temperature, uno caldo, uno freddo. L'effetto Seebeck significa che i fori (portatori di carica elettrica positiva) nel materiale di tipo p e gli elettroni (portatori di carica negativa) nel materiale di tipo n si diffondono dall'elettrodo caldo all'elettrodo freddo, ottenendo così un flusso di tensione e corrente. Il processo può essere eseguito anche al contrario, quando è noto come effetto Peltier e l'iniezione di una corrente elettrica induce il raffreddamento alla giunzione del materiale. Frigoriferi termoelettrici, noto anche come refrigeratori Peltier, sono spesso utilizzati in dispositivi su piccola scala per controllare la temperatura di dispositivi elettronici e optoelettrici sensibili come diodi laser e fotorivelatori.