Un nuevo estudio de la Universidad de Wollongong supera un desafío importante 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 desacoplamiento del transporte electrónico basado en electrones y térmico basado en fonones será un cambio de juego en esta industria", dice el profesor Xiaolin Wang de la UOW.
Aplicaciones y desafíos termoeléctricos
Materiales a base de telururo de bismuto Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3 y sus aleaciones son los materiales termoeléctricos disponibles comercialmente más exitosos, con aplicaciones actuales y futuras que se dividen en dos categorías: conversión de electricidad en calor y viceversa :
La 'recolección' de calor aprovecha 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 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.
"La clave es desacoplar el transporte térmico y el transporte eléctrico", dice el autor principal, estudiante de doctorado Guangsai Yang.
Mejor eficiencia a través del desacoplamiento
El equipo agregó una pequeña cantidad de nanopartículas de boro amorfas a materiales termoeléctricos basados en telururo de bismuto, utilizando ingeniería de nanodefectos y diseño estructural.
Las nanopartículas de boro amorfas se introdujeron mediante 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.
Debido a que los electrones transportan calor y conducen electricidad, la ingeniería de materiales basada solo 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, bloquear el 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 es 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 de 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 disponibles comercialmente de mayor éxito, los materiales a base de telururo de bismuto también son aislantes topológicos típicos.
El estudio
"Rendimiento termoeléctrico ultraalto en compuestos de boro amorfo / BiSbTe a granel con arquitecturas de nanodefectos" se publicó en Materiales energéticos avanzados en septiembre de 2020, y seleccionado como artículo de portada para la edición de noviembre.
Además del apoyo del Consejo Australiano de Investigación programas de Becas Futuras, Centros de Excelencia y Equipos e Instalaciones de Infraestructura de Enlace se recibió financiación del Consejo de Becas de China y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
Las instalaciones de experimentación incluyeron el Centro de Microscopía Electrónica de la Universidad de Wollongong, con el apoyo técnico del Centro Australiano de Microscopía y Microanálisis ACMM en la Universidad de Sydney.
Estudios de materiales novedosos en FLEET
Las propiedades de los materiales novedosos y atómicamente delgados se estudian en FLEET, un Centro de Excelencia del Consejo de Investigación de Australia, dentro de la tecnología Facilitadora A del Centro.
El Centro para Tecnologías Futuras de Electrónica de Bajo Consumo FLEET es una colaboración de más de un centenar de investigadores, que buscan desarrollar dispositivos electrónicos de energía ultrabaja para enfrentar el desafío del uso de energía en la computación, que ya consume el 8% de la electricidad global,y se duplica cada década.
El líder del proyecto y coautor, el profesor Xiaolin Wang, dirige el nodo de la Universidad de Wollongong de FLEET, además de liderar el equipo de Enabling Technology que desarrolla los materiales novedosos y atómicamente delgados que sustentan la búsqueda de FLEET de electrónica de energía ultrabaja, gestionando la síntesis y caracterización de la novedosa tecnología 2Dmateriales en la Universidad de Wollongong
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro de excelencia ARC en futuras tecnologías electrónicas de bajo consumo energético . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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