SKUTTERUDITES NANOSTRUCTUREES POUR LA GENERATION THERMOELECTRIQUE – NANOSKUT

La conversion de chaleur perdue en énergie électrique peut jouer un rôle important dans le développement des sources d'énergie alternative et dans la réduction de notre dépendance aux énergies fossiles. Dans un générateur thermoélectrique (GTE), de l'électricité peut être générée par action directe de la chaleur sur les matériaux constitutifs (semi-conducteurs n et p). Un GTE est donc un système simple, compact, silencieux et fiable (pas de pièces mobiles). Le rendement d'un GTE dépend du facteur de mérite adimensionnel ZT où T est la température moyenne d'utilisation et Z un paramètre spécifique des matériaux constitutifs qui dépend entre autre de leur coefficient Seebeck (alpha) et leur résistivité thermique (R) : pour maximiser Z, alpha et R doivent être maximum. Il serait possible de procéder à la récupération de chaleur perdue par des moteurs thermiques et d’autres processus industriels dans la gamme de températures 400K – 800K avec les nouveaux matériaux thermoélectriques qui ont été développés récemment tels que les skutterudites avec des ZT de 1.1 – 1.2 à 800K. Cependant, le problème de leur corrosion à haute température doit être solutionné avant de pouvoir utiliser ces matériaux de manière fiable. En plus de ces nouveaux matériaux, le concept de nanostructuration a émergé ces dernières années en thermoélectricité, aboutissant à des ZT supérieurs à 2. Il a d’abord été appliqué aux tellurures (PbTe, Bi2Te3) et il commence seulement à être employé avec succès sur les skutterudites où des ZT de 1.4 ont été récemment obtenus.
Nous proposons donc de synthétiser des skutterudites nanostructurées de type n et p avec des ZT améliorés et ensuite de les intégrer dans un GTE de démonstration avec pour température chaude 800K, qui soit performant (rendement ~ 8- 12 %) et fiable (années). Pour atteindre le premier objectif (ICMPE), des skutterudites de type n constitués de grains de l’ordre de 100 – 200 nm seront synthétisées de façon à favoriser la diffusion des phonons aux joints de grains et à maximiser la résistivité thermique. Afin de maintenir leurs performances dans le temps à haute température, nous introduirons des inhibiteurs de croissance de grains. Des skutterudites de type p seront aussi synthétisées avec des nanoprécipités aux joints de grains afin de filtrer les électrons et d’accroître le coefficient Seebeck. Tous ces matériaux seront densifiés par pressage à chaud ou frittage flash. L’objectif final est la réalisation d'un GTE de démonstration fiable utilisant ces skutterudites nanostructurées aux propriétés thermoélectriques améliorées. Il nécessite la réalisation de contacts skutterudites – électrodes très peu résistifs et thermo-mécaniquement stables (IJL). Il requiert aussi la protection du GTE contre la corrosion par l’air à 800K par dépôt de couches minces d’oxydes (IJL). Certains de ces problèmes n'ont jamais été examinés dans le cas d'applications terrestres et leur résolution permettrait à la génération de puissance par GTE de jouer un rôle important dans les économies d'énergie.
Les deux laboratoires impliqués dans ce projet sont qualifiés, complémentaires et à même d’en atteindre les objectifs. L'ICMPE et l’IJL sont internationalement connus pour leurs contributions aux progrès récents des skutterudites nanostructurées et ils sont membres fondateurs du GDR CNRS "Thermoélectricité". L’IJL possède l’expérience de la fabrication d’un système de récupération de l’énergie à haute température (programme CNES "DECLIC") et est aussi expert dans le domaine de l'oxydation et de la corrosion des intermétalliques qui est essentiel pour réaliser un démonstrateur fiable et simuler les conditions de service.