ECO-siliciures alcalino-terreux pour applications THERMoélectriques – ECOTHERM

Dans le cadre du projet ECOTHERM, l’utilisation d’éléments abondant tel que le silicium et le strontium réponds à ces enjeux écologiques. L’alliage non congruent α-SrSi2, à partir de ces deux éléments, présentait quant à lui des performances modestes jusqu’à 150°C et une approche multi-échelle pouvait fortement les améliorer. Pour y parvenir, deux approches ont été utilisées :

- la mécanochimie, cette technique utilise des forces mécaniques pour induire des réactions chimiques et provoquer des changements structurels du matériau. Il est ainsi possible d’obtenir d’une part des alliages ne présentant pas de point de fusion et d’autre part d’obtenir des alliages nanostructurés.

- la trempe sur roue, cette technique permet de refroidir rapidement des alliages liquides à des vitesses allant jusqu’à 107 °C/s. Elle permet d’une part l’obtention de phases métastables et d’autres part induit des micro-/nano-structures particulières

Les matériaux obtenus ont été mis en forme par frittage rapide afin de les densifier et de les caractériser d’un point de vue (micro)structurales et d’évaluer leurs performances thermoélectriques.

L’approche multi-échelle développé dans le cadre de ce projet a permis d’optimiser les performances de l’alliage α-SrSi2 de 70% en contrôlant la microstructure et en optimisant le taux de substituant. Par une combinaison expérience – théorie elle a également montré que les performances pouvaient encore être améliorées par double substitution. Bien que modestes, les performances obtenues dans le cadre du projet ECOTHERM permettent d’envisager d’ores et déjà des applications proches de la température ambiante car les éléments utilisés ont un coût suffisamment faible pour être compétitif.

Les travaux obtenus ont été valorisés à plusieurs reprises dans des revues scientifiques à comité de lecture avec un impact élevé pour la communauté et présentés à de nombreuses reprises au sein de la communauté internationale de thermoélectricité (Congrès ICT, ECT par exemple).

Dans le contexte environnemental actuel, nécessitant de réduire les émissions de gaz à effet de serre, la recherche de nouvelles sources d’énergie “vertes” est un enjeu majeur. Depuis les accords de Kyoto, les pays signataires ont consenti un effort important, ce qui a conduit au développement des énergies renouvelables et à leur contribution significative à la demande énergétique totale (19,3% en 2017). Parmi les sources d’énergie renouvelable, la thermoélectricité est une alternative intéressante pour la récupération d’énergie et plus particulièrement la chaleur perdue. Les matériaux thermoélectriques sont connus depuis plusieurs décennies mais leur utilisation à grande échelle est limitée par le faible rapport puissance/coût-poids et par la nature des éléments constitutifs souvent toxiques et/ou peu abondants, tels que le plomb ou le tellure. Dans ce contexte, l’enjeu du projet ECOTHERM est de développer de nouveaux matériaux thermoélectriques à base d’éléments non toxiques, abondants et à performances accrues.

ECOTHERM vise à étudier et développer de nouveaux siliciures alcalino-terreux pour des applications thermoélectriques. Le projet se concentre plus particulièrement sur un siliciure alcalino-terreux très peu étudié dans la littérature et présentant un fort potentiel d’optimisation. Une approche combinant l’étude des domaines de solubilité et de stabilité de systèmes ternaires et quaternaires ainsi que l’utilisation de procédés métallurgiques hors équilibre auront pour objectif d’optimiser la concentration en porteur de charge et de diminuer la conductivité thermique. La conception de tels alliages avec des techniques hors équilibre pourrait fournir des matériaux thermoélectriques avec des propriétés sans précédent.