Dimostrazione materiale termoelettrico:alimentazione di un piccolo ventilatore, GUIDATO. Credito:FLEET
Un nuovo studio dell'Università di Wollongong supera una grande sfida dei materiali termoelettrici, che può convertire il calore in elettricità e viceversa, migliorare l'efficienza di conversione di oltre il 60%.
Le applicazioni attuali e potenziali spaziano dalla bassa manutenzione, refrigerazione allo stato solido per compattare, produzione di energia a zero emissioni di carbonio, che potrebbe includere piccoli, dispositivi personali alimentati dal calore del corpo.
"Il disaccoppiamento del trasporto elettronico (basato su elettroni) e termico (basato su fononi) sarà un punto di svolta in questo settore, ", afferma il prof Xiaolin Wang dell'UOW.
Applicazioni e sfide termoelettriche
Materiali a base di tellururo di bismuto (Bi2Te3, Sb2Te3 e loro leghe) sono i materiali termoelettrici di maggior successo disponibili in commercio, con applicazioni attuali e future che rientrano in due categorie:convertire l'elettricità in calore, e viceversa:
La raccolta del calore sfrutta il libero, abbondanti fonti di calore fornite dal calore corporeo, automobili, vita quotidiana, e processo industriale. Senza bisogno di batterie o alimentatore, i materiali termoelettrici potrebbero essere utilizzati per alimentare sensori intelligenti in remoto, luoghi inaccessibili.
Una sfida continua dei materiali termoelettrici è l'equilibrio tra proprietà elettriche e termiche:nella maggior parte dei casi, un miglioramento delle proprietà elettriche di un materiale (maggiore conduttività elettrica) significa un peggioramento delle proprietà termiche (maggiore conduttività termica), e viceversa.
"La chiave è disaccoppiare il trasporto termico e il trasporto elettrico, "dice l'autore principale, dottorato di ricerca studente Guangsai Yang.
Migliore efficienza grazie al disaccoppiamento
Il progetto triennale presso l'Istituto di superconduttività e materiali elettronici (ISEM) dell'UOW ha trovato un modo per disaccoppiare e migliorare contemporaneamente le proprietà termiche ed elettroniche.
Il team ha aggiunto una piccola quantità di particelle di nano-boro amorfo ai materiali termoelettrici a base di tellururo di bismuto, utilizzando l'ingegneria dei nano-difetti e la progettazione strutturale.
Le particelle di nano boro amorfo sono state introdotte utilizzando il metodo di sinterizzazione con plasma a scintilla (SPS).
"Questo riduce la conduttività termica del materiale, e allo stesso tempo aumenta la sua trasmissione di elettroni, " spiega l'autore corrispondente Prof Xiaolin Wang.
"Il segreto dell'ingegneria dei materiali termoelettrici è manipolare il trasporto di fononi ed elettroni, " spiega il professor Wang.
Poiché gli elettroni trasportano calore e conducono elettricità, l'ingegneria dei materiali basata sul solo trasporto di elettroni è soggetta al perenne compromesso tra proprietà termiche ed elettriche.
fononi, d'altra parte, trasportare solo calore. Perciò, il blocco del trasporto fononico riduce la conduttività termica indotta dalle vibrazioni del reticolo, senza alterare le proprietà elettroniche.
"La chiave per migliorare l'efficienza termoelettrica è ridurre al minimo il flusso di calore tramite il blocco dei fononi, e massimizzare il flusso di elettroni tramite (trasmissione di elettroni), " dice Guangsai Yang. "Questa è l'origine del record di efficienza termoelettrica nei nostri materiali."
Il risultato è un'efficienza di conversione record dell'11,3%, che è il 60% migliore rispetto ai materiali disponibili in commercio preparati con il metodo della fusione a zone.
Oltre ad essere i materiali termoelettrici di maggior successo disponibili in commercio, I materiali a base di tellururo di bismuto sono anche tipici isolanti topologici.
Le prestazioni termoelettriche ultra elevate nei compositi sfusi di BiSbTe/boro amorfo con architetture a nano-difetti sono state pubblicate su Materiali energetici avanzati a settembre 2020.
