Demostración de material termoeléctrico:accionar un pequeño ventilador, DIRIGIÓ. Crédito:FLOTA
Un nuevo estudio de la Universidad de Wollongong supera un gran desafío de los materiales termoeléctricos, que puede convertir el calor en electricidad y viceversa, mejorando la eficiencia de conversión en más del 60%.
Las aplicaciones futuras actuales y potenciales van desde bajo mantenimiento, refrigeración de estado sólido para compactar, generación de energía sin carbono, que podría incluir pequeños, dispositivos personales alimentados por el propio calor del cuerpo.
"El desacoplamiento del transporte electrónico (basado en electrones) y térmico (basado en fonones) será un cambio de juego en esta industria, "dice el profesor Xiaolin Wang de la UOW.
Aplicaciones y desafíos termoeléctricos
Materiales a base de telururo de bismuto (Bi2Te3, Sb2Te3 y sus aleaciones) son los materiales termoeléctricos disponibles comercialmente de mayor éxito, con aplicaciones actuales y futuras que se dividen en dos categorías:conversión de electricidad en calor, y viceversa:
La recolección de calor aprovecha las ventajas abundantes fuentes de calor proporcionadas por el calor corporal, automóviles, la vida diaria, y proceso industrial. Sin necesidad de baterías o fuente de alimentación, Los materiales termoeléctricos podrían usarse para alimentar sensores inteligentes en remoto, lugares inaccesibles.
Un desafío continuo de los materiales termoeléctricos es el equilibrio de las propiedades eléctricas y térmicas:en la mayoría de los casos, una mejora en las propiedades eléctricas de un material (mayor conductividad eléctrica) significa un empeoramiento de las propiedades térmicas (mayor conductividad térmica), y viceversa.
"La clave es desacoplar el transporte térmico y el transporte eléctrico, "dice el autor principal, Doctor. estudiante Guangsai Yang.
Mejor eficiencia a través del desacoplamiento
El proyecto de tres años en el Instituto de Superconductividad y Materiales Electrónicos (ISEM) de la UOW encontró una manera de desacoplar y mejorar simultáneamente las propiedades térmicas y electrónicas.
El equipo agregó una pequeña cantidad de nanopartículas de boro amorfas a materiales termoeléctricos a base de telururo de bismuto. utilizando ingeniería de nanodefectos y diseño estructural.
Se introdujeron nanopartículas de boro amorfas utilizando el método de sinterización por plasma de chispa (SPS).
"Esto reduce la conductividad térmica del material, y al mismo tiempo aumenta su transmisión de electrones, "explica el autor correspondiente, el profesor Xiaolin Wang.
"El secreto de la ingeniería de materiales termoeléctricos es manipular el transporte de fonones y electrones, "explica el profesor Wang.
Debido a que los electrones transportan calor y conducen electricidad, La ingeniería de materiales basada únicamente en el transporte de electrones es propensa a la perenne compensación entre propiedades térmicas y eléctricas.
Fonones por otra parte, sólo llevan calor. Por lo tanto, el bloqueo del transporte de fonones reduce la conductividad térmica inducida por las vibraciones de la red, sin afectar las propiedades electrónicas.
"La clave para mejorar la eficiencia termoeléctrica es minimizar el flujo de calor mediante el bloqueo de fonones, y maximizar el flujo de electrones a través de (transmisión de electrones), ", dice Guangsai Yang." Este es el origen de la eficiencia termoeléctrica récord en nuestros materiales ".
El resultado es una eficiencia de conversión récord del 11,3%, que es 60% mejor que los materiales disponibles comercialmente preparados por el método de fusión por zonas.
Además de ser los materiales termoeléctricos disponibles comercialmente de mayor éxito, Los materiales a base de telururo de bismuto también son aislantes topológicos típicos.
Rendimiento termoeléctrico ultraalto en compuestos de boro amorfo / BiSbTe a granel con arquitecturas de nanodefectos se publicó en Materiales energéticos avanzados en septiembre de 2020.
