Oxydes pour la conversion thermoélectrique – OCTE

Malgré l'optimisation des moteurs thermiques une grande partie de l'énergie consommée par la combustion d'hydrocarbures fossiles est rejetée par l'échappement. Des dispositifs thermoélectriques permettraient de convertir cette énergie perdue en énergie électrique pour alimenter l'ensemble des fonctions des véhicules. Dans le futur il s'agirait de convertir les rejets thermiques des piles à combustible. De telles applications ont malheureusement une portée limitée à cause des critères auxquels doivent répondre les matériaux. L'une de ces contraintes réside dans un facteur de mérite ZT (T, la température et Z=S^2*E/K avec S, le pouvoir thermoélectrique, E et K, les conductivités électrique et thermique) qui doit être élevé et, le rester sur l'ensemble du domaine de température d'utilisation. Les matériaux doivent aussi être parfaitement stables aux températures d'emploi (jusqu'à 800°C), ne pas contenir d'éléments polluants et être aussi peu coûteux que possible... Les matériaux thermoélectriques utilisés aujourd'hui dans le domaine du refroidissement ou dans les générateurs thermoélectriques ne satisfont pas à l'ensemble des trois derniers critères. Pour garantir une meilleure stabilité à haute température et en atmosphère oxydante, le présent projet propose de concevoir, élaborer et développer des matériaux thermoélectriques à base d'oxydes. Alors que les tellurures de bismuth sont utilisés depuis les travaux de A.F. Ioffe remontant aux années cinquante, la reconnaissance des propriétés thermoélectriques remarquables de NaxCoO2 n'intervient qu'en 1997 suite aux travaux de Terasaki. Des mesures physiques avaient été publiées 20 ans auparavant par le groupe de Delmas à Bordeaux mais ces oxydes lamellaires étaient surtout étudiés pour leur utilisation comme matériaux d'électrodes dans les batteries lithium-ion. Ces travaux ouvraient une nouvelle voie vers la conversion thermoélectrique, une voie totalement imprévisible du moins sur la base des concepts classiques selon lesquels seuls des semiconducteurs dégénérés avec des concentrations de porteurs plus faibles que celles des métaux et des mobilités très élevées pouvaient conduire à des ZT élevés. En quelques années les travaux sur les oxydes thermoélectriques se sont rapidement développés, surtout au Japon où les systèmes 2D étaient privilégiés. Dans la même période les chercheurs du CRISMAT (Caen) découvraient des cobaltites de type misfit tels que Ca3Co4O9 à fort potentiel thermoélectrique ainsi que de nouveaux manganites (initialement étudiés pour leur magnétorésistance). A notre connaissance, sur le plan national, moins d'une dizaine d'équipes travaillent sur la thermoélectricité et bien que de nombreux laboratoires de chimie et de physique des solides travaillent sur les oxydes de métaux de transitions, seuls les laboratoires de Bordeaux et de Caen semblent avoir lancé un programme d'envergure sur les oxydes thermoélectriques. Le LPM apportera sa compétence et son expertise reconnues de la caractérisation des matériaux et des dispositifs thermoélectriques et contribuera à l'interprétation des données expérimentales en relation avec la composition chimique et la microstructure. D'autre part il jouera un rôle essentiel dans la modélisation des dispositifs thermoélectriques. La modélisation et la simulation sont des outils extrêmement utiles pour diminuer le temps nécessaire au développement des dispositifs thermoélectriques et pour en minimiser les coûts. Sur le plan de la caractérisation des matériaux, la méthode de Harman a souvent été utilisée pour estimer rapidement ZT. Toutefois lorsqu'une caractérisation plus approfondie des matériaux est recherchée, S, E et K doivent être mesurés séparément et au moins deux dispositifs expérimentaux sont nécessaires. L'équipe de recherche COX (CPMOH, Bordeaux) a validé et développe des méthodes de caractérisation basées sur des techniques simples et robustes qui permettent d'obtenir les trois paramètres thermoélectriques nécessair