[Publication] Des générateurs thermoélectriques à haute densité de puissance intégrant des composés skuttérudites

Jeudi 17 juin 2021

La génération d’électricité par effet Seebeck offre une solution élégante pour valoriser les énormes quantités de chaleur dissipées quotidiennement dans notre environnement. Cette technologie présente de nombreux avantages en terme de fiabilité, de maintenance et d’absence de vibrations, qui la rendent attractive pour l’exploration spatiale (par exemple pour les sondes lancées dans l’espace profond, telles que Voyager ou les rovers Curiosity et Perseverance sur Mars), et pour de nombreux domaines industriels pour, par exemple, alimenter des capteurs autonomes.

De nouvelles familles de matériaux thermoélectriques performants ont été découvertes au cours de la dernière décennie. Mais leur intégration dans des générateurs thermoélectriques fait face à de nombreux défis, liés notamment aux multiples interfaces entre différents matériaux et aux fortes sollicitations thermo-mécaniques subies par les matériaux thermoélectriques. Ces verrous ont jusqu’à présent limité les densités de puissance (exprimées en W cm-²) délivrées par ces dispositifs.
Pour surmonter ces obstacles, des chercheurs de l’IJL ont proposé une nouvelle architecture des jambes thermoélectriques basée sur l’insertion de matériaux thermoélectriques de faible épaisseur (~1 mm) couplée à la présence de composites métalliques jouant le rôle de « buffer » d’un point de vue thermomécanique.
La preuve de concept de cette innovation a consisté à fabriquer des générateurs thermoélectriques combinant des matériaux skutterudites et des composites métalliques. Des densités de puissance excédant largement celles de l’état de l’art (2,1 W cm-²) ont été obtenues avec notamment une valeur record atteignant 7,6 W cm-², soit une augmentation de plus de 260%. Ce nouveau design, applicable à d’autres familles de composés thermoélectriques performants, ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération de générateurs thermoélectriques à haute densité de puissance.

Ces travaux ont été menés en collaboration avec le Fraunhofer IPM de Fribourg (Allemagne), l’Institut de Chimie des Matériaux Paris-Est (ICMPE/CNRS/Université Paris-Est Créteil) et le JPL à Pasadena (NASA/Etats-Unis).

Références :

Titre : High power density thermoelectric generators with skutterudites

Auteurs : S. El Oualid, I. Kogut, F. Kosior, P. Masschelein, C. Candolfi, A. Dauscher, B. Lenoir

Nom de la revue : Advanced Energy Materials

Date de parution (en ligne) : Avril 2021

Lien : https://doi.org/10.1002/aenm.202100580

Légende de l’image :
Couverture de la Revue Advanced Energy Materials for Energy représentant un dispositif thermoélectrique constitué de nombreux couples de jambes thermoélectriques à base de composés skuttérudites semi-conducteurs de type n et de type p). Ces couples sont connectés électriquement en série par des contacts métalliques en cuivre et thermiquement en parallèle entre deux plaques céramiques. La différence de température entre les deux faces du dispositif va permettre de générer une puissance électrique via l’effet Seebeck.