26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Accroître la puissance thermoélectrique grâce aux céramiques à nanorubans - Une nouvelle voie vers les cobaltites de calcium à haute performance
La recherche de nouveaux moyens d'utiliser efficacement l'énergie et de faire progresser les technologies durables est un thème central de notre époque. Les matériaux capables de convertir directement la chaleur en énergie électrique - les matériaux thermoélectriques - sont donc de plus en plus sous les feux de la rampe. Les composés céramiques à base de cobaltite de calcium sont considérés comme particulièrement prometteurs, car ils sont robustes, résistants aux températures élevées et efficaces.
Dans le domaine des matériaux thermoélectriques à haute température, l'obtention de microstructures anisotropes dans les céramiques polycristallines est une stratégie clé pour augmenter la Conductivité électrique (SBA)La conductivité électrique est une propriété physique indiquant la capacité d'un matériau à permettre le transport d'une charge électrique.conductivité électrique tout en supprimant le transport thermique.
Mais comment améliorer encore ces matériaux ? Une équipe de chercheurs vient de mettre au point une approche entièrement nouvelle pour améliorer de manière significative les propriétés de ces composés, franchissant ainsi une étape importante vers la production d'énergie plus propre.
L'étude récente publiée dans le Journal of the American Ceramic et intitulée "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", présente une approche innovante pour relever ce défi.
Des nanorubans aux céramiques haute performance
Des chercheurs de l'université Leibniz de Hanovre et du Technion - Israel Institute of Technology ont réussi à combiner l'électrofilage avec le FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage séquentiel par plasma d'étincelles (SPS) et la texturation par plasma d'étincelles sans arêtes (SPT). Cette stratégie de traitement a été présentée dans un blog précédent, où elle a été appliquée à des céramiques à base de poudre CCO.
La principale innovation de ce projet est l'utilisation de nanorubans électrofilés comme matériau de départ pour créer des céramiques de cobaltite de calcium (Ca₃Co₄O₉, CCO) hautement texturées.
Ces précurseurs unidimensionnels sont intrinsèquement anisotropes et présentent déjà une orientation alignée des grains. Une fois frittée et texturée à l'aide de l'approche combinée SPS + SPT, la cobaltite obtenue présente une microstructure dense, semblable à un mur de briques, un alignement amélioré pour un transport efficace des charges dans le plan, et une Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique réduite en raison de la diffusion des phonons aux limites des grains texturés.
À 1073 K, ce matériau thermoélectrique prometteur a atteint un chiffre de mérite ZT = 0,53, qui figure parmi les valeurs les plus élevées rapportées pour le CCO polycristallin.
NETZSCH Analyseurs thermiques permettant une évaluation précise des propriétés thermoélectriques
NETZSCH Le laboratoire d'analyse et d'essai NETZSCH a fourni des mesures essentielles pour ce travail en mesurant la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique à l'aide de l'appareil LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp) avec le calorimètre différentiel à balayage NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® .
Ces deux données ont permis de calculer avec précision les valeurs de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique (λ) et de ZT, ce qui donne un aperçu direct de l'effet de la nanostructuration sur le transport thermique.
Cette étude montre comment des blocs de construction céramiques anisotropes et pré-structurés peuvent améliorer de manière significative les propriétés thermoélectriques des matériaux à base d'oxyde. La synergie entre une synthèse innovante et une caractérisation thermique précise ouvre la voie à de nouvelles technologies de collecte d'énergie basées sur des céramiques stables et performantes.
Remerciements
Ce travail est le résultat d'une collaboration entre l'Institut de chimie physique et d'électrochimie de l'Université Leibniz de Hanovre (Allemagne) et le Département Wolfson d'ingénierie chimique, en coopération avec le Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) de l'Institut Technion-Israël de technologie (Haïfa, Israël), en association avec NETZSCH Analyzing & Testing.
Nous sommes heureux d'avoir contribué à cette recherche en fournissant notre expertise en matière d'analyse thermique et les instruments nécessaires à la caractérisation précise des propriétés thermophysiques.
Le financement en libre accès de cette publication a été rendu possible et organisé par Projekt DEAL.
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