Siliciures de manganèse de type p sur mesure pour matériaux thermoélectriques éco-compatibles à haute performance – PHIMS

Les technologies traditionnelles de production d’énergie, les industries lourdes et les transports sont responsables de l’émission de très grandes quantités de chaleur dans l’environnement (estimée à 520 Mtep, Million de Tonnes Equivalent Pétrole, en Europe). Convertir cette chaleur perdue en électricité par le moyen de la thermoélectricité permettrait de réduire significativement les émissions de CO2 et d’améliorer l’efficacité énergétique dans les systèmes industriels. Les matériaux thermoélectriques nanostructurés surpassent la faible efficacité de conversion des matériaux thermoélectriques traditionnels mais les verrous à lever pour accélérer l’intégration des générateurs thermoélectriques sont le coût, la rareté et la toxicité des éléments rentrant dans leur composition.

Le projet PHIMS a pour but de mettre au point des matériaux thermoélectriques nanostructurés compétitifs, performants (facteur de mérite, ZT=1.5) et écologiques, permettant le déploiement de la production thermoélectrique d’électricité et la production de masse des générateurs thermoélectriques. Les matériaux innovants ciblés combleront le déficit en matériaux de type p nécessaires au développement des générateurs thermoélectriques à fort rendement de conversion dans la gamme de température 500-800K. Mettre au point des matériaux thermoélectriques possédant un facteur de mérite de 1.5 entraînerait des rendements de conversion proches de 20% dans le domaine de températures ciblé, ce qui rendrait cette technologie compétitive avec les autres modes de production à partir des énergies renouvelables (solaire, éolien et géothermique). La disponibilité de matériaux thermoélectriques de type p présentant des caractéristiques similaires aux alliages Mg2SiSn de type n permettra d’accroitre l’efficacité énergétique des générateurs thermoélectriques et de diminuer les coûts de fabrication. Ce type de générateurs thermoélectriques, développé dans le projet PHIMS, sera particulièrement adapté aux applications navales mises en œuvre par l’entreprise Hotblock OnBoard faisant partie du présent consortium.

Le projet PHIMS se focalisera sur la mise au point de matériaux « sur mesure » à base de siliciures de manganèse (systèmes Cr-Mn-Si et Cr-Ge-Mn-Si) car (i) ils peuvent être nanostructurés par l’application de procédés métallurgiques conventionnels à faibles coûts (nano-précipitation à partir d’une solution solide sursaturée), (ii) ils sont constitués d’éléments abondants, non-toxiques et bons marchés, et (iii) ils présentent une excellent résistance mécanique, thermique et chimique.
and the relationship between microstructural parameters and thermoelectric properties.

Ce projet est original car il conduira au développement d’une méthodologie pour la conception des matériaux thermoélectriques nanostructurés « sur mesure » basée sur des principes métallurgiques. L’approche scientifique suivie est différente et novatrice par rapport à celles précédemment employées, car elle s’appuie sur l’utilisation de la modélisation thermo-cinétique des transformations de phases permettant de prédire la formation et l’évolution de la nanostructure, et de la relation entre les paramètres nanostructuraux, les propriétés thermoélectriques et les procédés de fabrication.