ERDF — CNRS (CRISMAT) — BEAVER PROJECT (Q3680087)

Dans la perspective de la réduction drastique des émanations de gaz à effet de serre, toutes les voies de production d'énergie "verte" ou de réduction de consommation énergétique sont peu à peu explorées. Ainsi la génération d'électricité à partir de chaleur perdue aux moyens de modules thermoélectriques (effet Seebeck) représente une voie particulièrement prometteuse [1]. Cette technologie présente des avantages indéniables en termes de fiabilité, maintenance, d'absence de vibrations qui la rend attractive par exemple pour des utilisations dans le domaine automobile, de l'industrie, ou du bâtiment. Cette fiabilité est entre autres démontrée par l'utilisation de générateurs thermoélectriques radio-isotopiques dans les sondes à exploration lointaine de la NASA (Voyager, Cassini etc) [2]. La recherche sur les matériaux thermoélectriques s'inscrit au niveau régional dans le domaine de la RIS3 Energie et Matériaux.Aujourd'hui, deux verrous scientifiques/technologiques constituent les handicaps majeurs de la technologie thermoélectrique : le rendement des dispositifs et l'abondance des éléments qui composent les matériaux thermoélectriques. Le rendement d'un dispositif dépend directement des propriétés de transport des matériaux au travers du facteur de mérite adimensionnel ZT (ZT=S/(PK)*T) où S est le coefficient Seebeck, P la résistivité électrique, K la conductivité thermique, et T la température absolue). Optimiser le rendement d'un dispositif revient à augmenter le facteur ZT. La seconde difficulté est liée à la première : les matériaux présentant les meilleurs facteurs ZT sont composés d'éléments chers et peu abondants sur Terre (tels que Bi, Te, Pb ou Ge). Le design de nouveaux matériaux, économiquement viables et abondants, susceptibles de remplacer les matériaux conventionnels utilisés dans les dispositifs thermoélectriques actuels, ouvriraient la voie à de nouvelles applications. Malgré le potentiel réel de certains composés, notamment à structures complexes (Zintl, skutterudites, clathrates)[3] pour des applications en thermoélectricité à moyenne ou haute température (100-1000°C), les valeurs de ZT, les coûts de production ou bien encore la fragilité et la stabilité de certains de ces matériaux freinent encore aujourd'hui leur utilisation dans des dispositifs commerciaux pour l'industrie ou le grand public. C'est pourquoi il est primordial de développer de nouveaux matériaux performants et peu chers. Récemment, des conductivités intrinsèquement faibles (proche d'un verre) ont été rapportées dans des sulfures à structures cristallographiques complexes, menant à des figures de mérite ZT proche de l'unité à 400°C [4,5]. Ces matériaux d'origine minérale sont également peu chers car composés d'éléments abondants et par ailleurs non toxiques (Cu,Fe,Sn,S). Les chercheurs du CRISMAT ont notamment mis en évidence cette année l'importance de la technique de densification (SPS, pressage à chaud etc) utilisée pour produire des céramiques industrielles. La technique de densification peut induire (ou non) des défauts structuraux et modifier la conductivité thermique des composés. Une valeur de ZT de 0.9 à 400°C a ainsi été obtenue sur le composé Cu26V2Sn6S32, un matériau d'origine minérale (colusite) et résynthétisé au laboratoire. Ces travaux ont été publiés dans la revue scientifique très reconnue Journal of American Chemical Society [5]. Ce matériau est au jour d'aujourd'hui le meilleur matériau sulfure pour des applications entre l'ambiante et 400°C. L'utilisation de ce matériau dans des dispositifs thermoélectriques permettrait d'envisager des rendements de l'ordre de 10-15% pouvant diminuer considérablement les durées d'amortissement des dispositifs.Néanmoins, deux verrous scientifiques/technologiques doivent être levés : 1) Maîtriser la densification de ce matériau dans des fours industriels et 2) Produire des échantillons de grande taille pour la fabrication de modules thermoélectriques. (French)

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With a view to drastic reductions in greenhouse gas emissions, all “green” energy production or energy reduction pathways are gradually being explored. Thus the generation of electricity from heat lost by means of thermoelectric modules (seebeck effect) represents a particularly promising route [1]. This technology has undeniable advantages in terms of reliability, maintenance, absence of vibrations, which makes it attractive, for example, for automotive, industrial, or building uses. This reliability is demonstrated by the use of radio-isotopic thermoelectric generators in NASA’s distant exploration probes (Voyager, Cassini, etc.) [2]. Research on thermoelectric materials takes place at regional level in the field of RIS3 Energy and Materials. Today, two scientific/technological locks are the major handicaps of thermoelectric technology: the efficiency of the devices and the abundance of the components that make up the thermoelectric materials. The performance of a device depends directly on the material transport properties through the ZT dimensional merit factor (ZT=S/(PK)*T) where S is the Seebeck coefficient, P the electrical resistivity, K the thermal conductivity, and T the absolute temperature. Optimising the performance of a device is tantamount to increasing the ZT factor. The second difficulty is linked to the first: materials with the best ZT factors are composed of expensive and unpleasant elements on Earth (such as Bi, Te, Pb or Ge). The design of new, economically viable and abundant materials that could replace conventional materials used in current thermoelectric devices would pave the way for new applications. Despite the real potential of some compounds, including complex structures (Zintl, skutterudites, clathrates)[3] for medium to high temperature thermoelectric applications (100-1 000 °C), ZT values, production costs or the fragility and stability of some of these materials are still hampering their use in commercial devices for industry or the general public. This is why it is essential to develop new, efficient and inexpensive materials. Recently, intrinsically low conductivities (close to a glass) have been reported in sulphides with complex crystallographic structures, leading to ZT merit figures close to the unit at 400 °C [4.5]. These mineral materials are also inexpensive because they are composed of abundant and otherwise non-toxic elements (Cu,Fe,Sn,S). This year, CRISMAT researchers highlighted the importance of the densification technique (SPS, hot pressing, etc.) used to produce industrial ceramics. The densification technique can induce (or not) structural defects and alter the thermal conductivity of the compounds. A ZT value of 0.9 at 400 °C was obtained on the compound Cu26V2Sn6S32, a material of mineral origin (colusite) and reynthetised in the laboratory. This work was published in the highly recognised scientific journal Journal of American Chemical Society [5]. This material is today the best sulphide material for applications between the ambient and 400 °C. Using this material in thermoelectric devices would allow the possibility to consider yields of around 10-15 % which could significantly reduce the damping times of the devices.However, two scientific/technological locks need to be lifted: 1) Control the densification of this material in industrial furnaces and 2) Produce large samples for the manufacture of thermoelectric modules. (English)

point in time

18 November 2021

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Dans la perspective de la réduction drastique des émanations de gaz à effet de serre, toutes les voies de production d’énergie „verte“ ou de réduction de consommation énergétique sont peu à peu explorées. Ainsi la génération d’électricité à partir de chaleur perdue aux moyens de module thermoélectriques (effet Seebeck) représente une voie particulièrement prometteuse [1]. Cette technologie présente des avantages indéniables en termes de Fiabilité, maintenance, d‚absence de vibrations qui la rend attractive par exemple pour des uses dans le domaine automobile, de l‘industrie, ou du bâtiment. Cette Fiabilité est entre autres démontrée par l’utilization de générateurs thermoélectriques radio-isotopiques dans les sondes à Exploration Lointaine de la NASA (Voyager, Cassini etc.) [2]. La recherche sur les matériaux thermoélectriques s‚inscrit au level régional dans le domaine de la RIS3 Energie et Matériaux.Aujourd‘hui, deux verrous scientifiques/technologiques constituent les handicaps majeurs de la technologie thermoélectrique: Le rendement des dispositifs et l’abondance des éléments qui composent les matériaux thermoélectriques. Le rendement d’un dispositif dépend directement des propriétés de transport des matériaux au travers du facteur de mérite adimensionnel ZT (ZT=S/(PK)*T) où S est le Koeffizient Seebeck, P la résistivité électrique, K la conductivité thermique, et T la température absolue). Optimizer le rendement d’un dispositif revient à augmenter le facteur ZT. La seconde difficulté est liée à la première: Les matériaux présentant les meilleurs facteurs ZT sont composés d’éléments chers et peu abondants sur Terre (tels que Bi, Te, Pb ou Ge). Le design de nouveaux matériaux, économiquement viables et abondants, sensitives de remplacer les matériaux conventionnels utilisés dans les dispositifs thermoélectriques actuels, ouvriraient la voie à de nouvelles Anwendungen. Malgré le potentiel réel de certains composés, notamment à structures complexes (Zintl, skutterudites, clathrates)[3] pour des applications en thermoélectricité à moyenne ou haute température (100-1 000 °C), les valeurs de ZT, les coûts de production ou bien encore la fragilité et la stabilité de certains matériaux freinent encore aujourd’hui leur use dans des dispositifs commerciaux pour l' industrie o grand public. C’est pourquoi il est primordial de développer de nouveaux matériaux performants et peu chers. Récemment, des conductivités intrinsèquement faibles (proche d‚un verre) ont été rapportées dans des sulfures à structures cristallographiques complexes, MENANT à des figures de mérite ZT proche de l‘unité à 400 °C [4,5]. CES matériaux d‚origine minérale sont également peu chers car composés d‘éléments abondants et par ailleurs non toxiques (Cu,Fe,Sn,S). Les chercheurs du CRISMAT ont notamment mis en évidence cette année l’importance de la technique de versification (SPS, pressage à chaud usw.) utilisée pour produire des Céramiques industrielles. La technique de Densification peut induire (ou non) des défauts structuraux et modifier la conductivité thermique des composés. Une valeur de ZT de 0.9 à 400 °C a ainsi été obtenue sur le composé Cu26V2Sn6S32, un Matériau d’origine minérale (colusite) et résynthétisé au laboratoire. CES travaux ont été publiés dans la revue scientifique très reconnue Journal of American Chemical Society [5]. CE Matériau est au jour d‚aujourd‘hui le meilleur Matériau sulfure pour des applications entre l‚ambiante et 400 °C. L‘utilization de ce Matériau dans des dispositifs thermoélectriques permettrait d‚envisager des rendements de l‘ordre de 10-15 % pouvant diminuer considérablement les durées d’amortissement des dispositifs.Néanmoins, deux verrous scientifiques/technologiques doivent être levés: 1) Maîtriser la Densification de ce Matériau dans des fours industriels et 2) Produire des échantillons de grande taille pour la Fabrication de Module thermoélectriques. (German)

point in time

27 November 2021

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French Kohesio ID

18P01361

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ERDF — CNRS (CRISMAT) — BEAVER PROJECT (Q3680087)

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