Científicos en Australia han superado un desafío de los materiales termoeléctricos, que pueden convertir el calor en electricidad y viceversa, mejorando la eficiencia de conversión en más del 60%.
- Las aplicaciones futuras actuales y potenciales van desde la refrigeración de estado sólido de bajo mantenimiento
- hasta la generación de energía compacta sin carbono, que podría incluir pequeños dispositivos personales alimentados por el propio calor del cuerpo.
El hallazgo se publicó en Advanced Energy Materials.
«El desacoplamiento del transporte electrónico (basado en electrones), por un lado, y térmico (basado en fonones), por otro, será un cambio de juego en esta industria«, dice en un comunicado el profesor Xiaolin Wang de la UOW (Universidad de Wollongong).
Los materiales a base de telururo de bismuto (Bi2Te3, Sb2Te3 y sus aleaciones) son los materiales termoeléctricos más exitosos disponibles comercialmente, con aplicaciones actuales y futuras que se dividen en dos categorías: convertir la electricidad en calor y viceversa:
– Conversión de electricidad en calor:
Refrigeración de estado sólido (bomba de calor) confiable y de bajo mantenimiento, sin partes móviles, sin ruido ni vibraciones.
– Convertir el calor en electricidad
Incluida la generación de energía sin fósiles a partir de una amplia gama de fuentes de calor o alimentar microdispositivos de forma gratuita, utilizando, en primer lugar, la temperatura ambiente o corporal.
La recolección de calor aprovecha, asimismo, las abundantes fuentes de calor gratuitas que proporcionan el calor corporal, los automóviles, la vida cotidiana y los procesos industriales.
Sin la necesidad de baterías o una fuente de alimentación, los materiales termoeléctricos podrían usarse para alimentar sensores inteligentes en lugares remotos e 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.
Proyecto
«La clave es desacoplar el transporte térmico y el transporte eléctrico», dice el autor principal, el estudiante de doctorado Guangsai Yang.
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 amorfas de boro a materiales termoeléctricos basados en telururo de bismuto, es decir, 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.
Análisis
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.
Los fonones, por otro lado, solo transportan 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, estriba, en primer lugar, en minimizar el flujo de calor a través del 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 un 60% mejor que los materiales disponibles comercialmente preparados mediante el método de fusión por zonas.
Además de ser los materiales termoeléctricos más exitosos disponibles comercialmente, los materiales a base de telururo de bismuto también son aislantes topológicos típicos.