p Um novo estudo da Universidade de Wollongong supera um grande desafio de materiais termoelétricos, que pode converter calor em eletricidade e vice-versa, melhorando a eficiência de conversão em mais de 60%. p As aplicações atuais e futuras variam de baixa manutenção, refrigeração de estado sólido para compactar, geração de energia zero-carbono, que poderia incluir pequeno, dispositivos pessoais alimentados pelo próprio calor do corpo.

p "A dissociação do transporte eletrônico (baseado em elétrons) e térmico (baseado em fônons) será uma virada de jogo nesta indústria, "diz o professor Xiaolin Wang da UOW.

p Aplicações termelétricas e desafios

p Materiais à base de telureto de bismuto (Bi2Te3, Sb2Te3 e suas ligas) são os materiais termoelétricos mais bem-sucedidos comercialmente disponíveis, com aplicações atuais e futuras caindo em duas categorias:conversão de eletricidade em calor, e vice versa:

• Convertendo eletricidade em calor:confiável, refrigeração de estado sólido de baixa manutenção (bomba de calor) sem peças móveis, sem barulho, e sem vibração.
• Converter calor em eletricidade, incluindo geração de energia sem fósseis a partir de uma ampla gama de fontes de calor ou alimentar microdispositivos gratuitamente, usando a temperatura ambiente ou corporal.

p A coleta de calor tira proveito do abundantes fontes de calor fornecidas pelo calor corporal, automóveis, vida cotidiana, e processo industrial. Sem a necessidade de baterias ou fonte de alimentação, materiais termoelétricos podem ser usados ​​para alimentar sensores inteligentes remotamente, locais inacessíveis.

p Um desafio contínuo dos materiais termelétricos é o equilíbrio das propriedades elétricas e térmicas:na maioria dos casos, uma melhoria nas propriedades elétricas de um material (maior condutividade elétrica) significa uma piora das propriedades térmicas (maior condutividade térmica), e vice versa.

p “A chave é desacoplar o transporte térmico do transporte elétrico, "diz o autor principal, Ph.D. estudante Guangsai Yang.

p Melhor eficiência por meio do desacoplamento

p O projeto de três anos no Instituto de Supercondutividade e Materiais Eletrônicos (ISEM) da UOW encontrou uma maneira de desacoplar e simultaneamente melhorar as propriedades térmicas e eletrônicas.

p A equipe adicionou uma pequena quantidade de partículas amorfas de nano-boro a materiais termoelétricos à base de telureto de bismuto, usando engenharia de nano-defeito e projeto estrutural.

p Nanopartículas amorfas de boro foram introduzidas usando o método de sinterização por plasma de centelha (SPS).

p "Isso reduz a condutividade térmica do material, e ao mesmo tempo aumenta sua transmissão de elétrons, "explica o autor correspondente, Prof Xiaolin Wang.

p "O segredo da engenharia de materiais termoelétricos é manipular o transporte de fônons e elétrons, "explica o professor Wang.

p Porque os elétrons carregam calor e conduzem eletricidade, a engenharia de materiais baseada apenas no transporte de elétrons é propensa à permuta perene entre as propriedades térmicas e elétricas.

p Phonons, por outro lado, carregam apenas calor. Portanto, bloquear o transporte de fônons reduz a condutividade térmica induzida por vibrações da rede, sem afetar as propriedades eletrônicas.

p "A chave para melhorar a eficiência termoelétrica é minimizar o fluxo de calor via bloqueio de fônons, e maximizar o fluxo de elétrons via (transmissão de elétrons), "diz Guangsai Yang." Esta é a origem da eficiência termoelétrica recorde em nossos materiais. "

p O resultado é uma eficiência de conversão recorde de 11,3%, que é 60% melhor do que os materiais disponíveis comercialmente preparados pelo método de fusão por zona.

p Além de serem os materiais termoelétricos disponíveis comercialmente de maior sucesso, Os materiais à base de telureto de bismuto também são isolantes topológicos típicos.

p Ultra-alto desempenho termoelétrico em Bulk BiSbTe / Compostos de boro amorfo com Nano-Defeito Arquiteturas foi publicado em Materiais de energia avançados em setembro de 2020.