Trois questions à Antoine Maignan sur la thermoélectricité

Résultats scientifiques

Exposés à un gradient de température, les matériaux thermoélectriques produisent de l’électricité. Ce phénomène permet ainsi de transformer en électricité de l’énergie qui serait, sinon, dissipée sous forme de chaleur. Antoine Maignan, directeur de recherche CNRS au Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CRISMAT, CNRS/ENSICAEN/Université de Caen Normandie), traite du sujet dans le chapitre « Récupération de chaleur fatale – La chimie au service de la thermoélectricité » de l’ouvrage Étonnante Chimie.

Qu’est-ce que l’effet Seebeck, qui est au cœur des dispositifs thermoélectriques ?

Quand un composé est exposé à une chaleur inégalement répartie, les charges électriques s’accumulent dans la zone la plus chaude. Ce phénomène est compensé par l’apparition d’un champ électrique entre cette partie et celle plus froide et on obtient ainsi une tension électrique. Tout matériau soumis à un gradient de température présente un effet Seebeck, mais il est généralement trop faible pour être exploité. À l’inverse, lorsqu’au sein d’un générateur thermoélectrique des matériaux thermoélectriques dopés n ou p[1] sont disposés thermiquement en parallèle et en série électriquement, la somme des tensions générées par l’effet Seebeck peut fournir des tensions utilisables de l’ordre du volt.

Ces dispositifs peuvent par exemple produire de l’énergie électrique en récupérant la chaleur des moteurs thermiques, dont 70 % est actuellement perdue. L’effet Seebeck intéresse également le monde de la microélectronique où la densification croissante des composants créée une chaleur qui pourrait être partiellement convertie en électricité à réinjecter ensuite dans le système. D’où une baisse de la consommation électrique et une meilleure dissipation de la chaleur. Enfin, l’effet Seebeck alimente certains satellites et sondes, profitant de l’énorme différence de température entre le vide spatial et la chaleur d’une petite pile nucléaire.

 

Quels sont vos travaux dans le domaine de la thermoélectricité ?

La mission du chimiste thermo-électricien consiste à identifier des matériaux présentant un compromis entre les besoins en une conductivité thermique faible, qui facilite l’établissement d’un gradient de température, un coefficient Seebeck élevé et une conductivité électrique forte. Ces deux dernières propriétés étant antagonistes, mais nécessaires pour obtenir une tension suffisante avec une faible résistance interne du générateur de courant. La chimie permet justement de jouer sur ces deux paramètres en influant sur la propagation des phonons, c’est-à-dire des vibrations du réseau cristallin qui transmettent la chaleur, et sur la structure de bande électronique qui régit le transport électrique.

Les systèmes thermoélectriques sont souvent constitués de tellurure de bismuth (Bi2Te3) qui présente un bon compromis entre conductivité thermique et propriétés électriques et aussi la particularité de pouvoir être dopé n ou p. Mais le tellure a tendance, quand la température monte, à se sublimer ou s’évaporer dans l’air ambiant alors qu’il est toxique. Si la chaleur continue d’augmenter et dépasse les cent degrés, ce sera au tour du bismuth de se sublimer et le système ne fonctionnera alors plus du tout.

Au sein de mon équipe, je cherche à remplacer ces matériaux par des oxydes de métaux de transitions, plus sûrs, stables et résistants à très haute température. Nous nous intéressons aussi aux composés inorganiques basés sur des anions chalcogènes à base de soufre ou de sélénium, matériaux souvent déjà connus mais dont les propriétés thermoélectriques n’ont pas encore été décrites.

 

Quelles autres avancées sont en cours au niveau des matériaux thermoélectriques ?

Si la plupart des matériaux inorganiques aux bonnes performances thermoélectriques sont mécaniquement rigides et donc difficiles à produire en grande surface et à adapter à certaines formes complexes, les polymères thermoélectriques, plus souples, présentent l’avantage de pouvoir être déposés plus facilement à des coûts moins élevés. L’association de paires n et p de polymères dans ces dispositifs souples permet d’envisager leur utilisation en panneau similaire aux matériaux photovoltaïques, et donc de les employer dans le domaine de la construction, puisqu’ils sont à la fois des isolants thermiques et une source d’énergie sous l’effet d’un gradient de température. Ces polymères seraient également utilisables sur le corps humain, grâce à des vêtements « intelligents » profitant des différences de température entre notre corps et l’extérieur pour alimenter de petits capteurs et autres objets connectés.

[1] Le dopage d’un semi-conducteur se fait par l’ajout d’atomes donneurs d’électrons (n) ou d’atomes accepteurs d’électrons (p).

Contact

Antoine Maignan
Chercheur au CRISMAT
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Anne-Valérie Ruzette
Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC