Percée Thermoélectrique Transforme la Chaleur en Énergie pour les Appareils Intelligents

Une étude récente¹ du Dr Fabian Garmroudi et d’une équipe de chercheurs internationaux ouvre la voie à l’une des avancées les plus importantes de la technologie thermoélectrique depuis des décennies. L’article explore l’étude de l’équipe sur divers matériaux et comment elle les a amenés à améliorer avec succès le découplage thermique et électrique. Voici ce que vous devez savoir.

Comment les matériaux thermoélectriques transfèrent la chaleur

Les thermoélectriques sont uniques comparés aux autres formes de matière. Dans le sens traditionnel, l’énergie thermique est transférée via des porteurs de charge mobiles et par les vibrations des atomes dans le réseau cristallin. Cette dernière représente le phénomène où les atomes vibrent les uns contre les autres en conservant la même relation de phase.

Notamment, les matériaux capables de transférer rapidement la chaleur sont appelés conducteurs. Le métal est un excellent exemple de conducteur thermique. Si vous chauffez une tige métallique et la placez à côté d’un autre morceau de métal, les atomes chargés et les vibrations du réseau transféreront rapidement une partie de l’énergie au second morceau. Il convient de souligner que le diamant pur est le matériau reconnu pour posséder la conductivité thermique la plus élevée.

Qu’est‑ce que les matériaux thermoélectriques et comment fonctionnent‑ils ?

Les matériaux thermoélectriques diffèrent des matériaux traditionnels en ce qu’ils conduisent bien l’électricité mais pas la chaleur. Étant peu efficaces pour transférer l’énergie thermique, ils constituent le parfait isolant thermique.

La principale méthode par laquelle un matériau thermoélectrique accomplit cette tâche consiste à tenter de découpler le transport de charge et de chaleur. Aujourd’hui, ces matériaux jouent un rôle essentiel dans l’électronique avancée, le refroidissement et les applications industrielles.

L’histoire de la technologie thermoélectrique : de Seebeck à aujourd’hui

Le chemin vers le refroidissement ultra‑rapide, la congélation et l’électronique haut de gamme possède de nombreux points de départ. En 1821, Thomas Johann Seebeck fit une découverte surprenante. Il remarqua que certains métaux génèrent un courant électrique lorsqu’ils présentent des différences de température et sont rapprochés.

Cette découverte conduisit Jean‑Charles Athanase Peltier à démontrer que cet effet pouvait entraîner à la fois le chauffage et le refroidissement selon la configuration. Cette révélation a ouvert la voie aux matériaux thermoélectriques avancés d’aujourd’hui et aux procédés de fabrication.

Matériaux thermoélectriques modernes : norme industrielle actuelle

Le matériau thermoélectrique le plus couramment utilisé aujourd’hui est une poudre grise appelée tellurure de bismuth, Bi2Te3. Ce composé a été créé dans les années 1950 et est resté la norme industrielle pendant plus de 70 ans. Aujourd’hui, les systèmes à base de Bi2Te3 sont la seule option commercialement disponible.

Défis auxquels les matériaux thermoélectriques sont confrontés aujourd’hui

Ce contexte a entraîné certains ralentissements dans l’innovation. D’une part, le tellure est un minéral rare, difficile et coûteux à obtenir. De plus, ces matériaux sont fragiles. Leur nature cassante peut entraîner des composants facilement endommagés.

Comment les matériaux thermoélectriques sont fabriqués : défis de fabrication

Un autre inconvénient majeur de cette approche est son coût élevé. Les méthodes sophistiquées nécessaires pour concevoir et fabriquer des matériaux thermoélectriques à conductivité thermique extrêmement faible restent un obstacle à une adoption plus large.

Résoudre le problème de transfert électrique dans les thermoélectriques

L’un des principaux problèmes était que toutes les tentatives antérieures visant à inhiber le transport de chaleur induit par le réseau réduisaient la mobilité des porteurs. Ainsi, ces efforts étaient vains jusqu’à récemment. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs créatifs estime avoir découvert la clé pour supprimer les vibrations du réseau sans diminuer le transfert électrique.

Étude révolutionnaire sur les thermoélectriques : découplage de la chaleur et de la charge

L’étude « Decoupled charge and heat transport in Fe2VAl composite thermoelectrics with topological‑insulating grain boundary networks », publiée dans la revue Nature Communications, présente des matériaux hybrides, un nouveau procédé de fabrication et une conception révolutionnaire pour atteindre le découplage thermique et électrique.

L’équipe a adopté une approche différente de celle de leurs prédécesseurs en cherchant à intégrer du Bi1−xSbx chimiquement et structurellement distinct comme phase secondaire entre les grains Heusler. Le procédé utilise une technique appelée frittage en phase liquide pour intégrer l’isolant topologique archétypal Bi1−xSbx entre les grains Fe2V0.95Ta0.1Al0.95.

Source – Nature Communications

Cette approche évite le compromis traditionnel où les tentatives de réduction du transfert de chaleur nuisent également à la mobilité électrique.

Matériaux thermoélectriques hybrides utilisant des composites multiphasiques

Au cœur de l’étude se trouve la création de matériaux hybrides. Ces composites multiphasiques sont idéaux pour cette tâche car ils offrent des propriétés mécaniques différentes tout en se comportant de manière similaire du point de vue des propriétés électroniques. Le premier matériau (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) combine une poudre d’un alliage de fer, vanadium, tantale et aluminium.

Le deuxième matériau (Bi0.9Sb0.1) du mélange est constitué d’une poudre de bismuth et d’antimoine. Cette structure crée une phase d’isolant topologique. Une phase d’isolant topologique est une classe unique de matériaux quantiques. Ils ont la capacité d’isoler l’intérieur tout en fournissant une charge sans perte à leur surface.

Comment la température affecte les performances du composite thermoélectrique

Le processus a débuté par le chauffage des matériaux dans un four de fusion à induction. Cela a permis de synthétiser les matériaux et de les broyer en poudre. Le scientifique a broyé la poudre puis a de nouveau mélangé les deux matériaux lors du frittage à 1373 K. Cette étape a fait fondre le Bi0.9Sb0.1 qui a enrobé les grains.

Ce scénario crée une phase de frontière de grain, idéale pour les conclusions des chercheurs. Notamment, les matériaux ne se mélangent pas au niveau atomique. Au lieu de cela, le matériau BiSb se dépose aux interfaces de taille micrométrique entre les cristaux de l’alliage FeVTaAl, créant un matériau thermoélectrique dur avec des capacités impressionnantes.

Perturber les vibrations du réseau pour réduire le transfert de chaleur

Les chercheurs ont remarqué que le nouveau matériau présentait des structures de réseau très différentes de celles des autres matériaux. Les différences entre ces couches étaient si marquées que les vibrations thermiques ne pouvaient pas se propager efficacement à travers le réseau cristallin. Cette conception réduit effectivement les vibrations thermiques sur l’ensemble de la surface.

Améliorer la mobilité électrique dans les matériaux thermoélectriques

L’équipe a également constaté une augmentation des porteurs de charge. Étant donné que les deux matériaux possèdent des caractéristiques de porteurs similaires, aucune perte n’a été détectée. Fait intéressant, une amélioration des performances a été enregistrée de façon inattendue, indiquant que le matériau possède d’excellentes propriétés thermoélectriques.

Évaluation des performances des nouveaux matériaux thermoélectriques

La phase de conception de l’étude a été réalisée au National Institute for Materials Science au Japon. L’équipe a mené plusieurs tests approfondis, incluant des investigations structurelles, afin de déterminer comment le nouveau design pouvait résister à différents scénarios.

L’équipe a également enregistré des mesures thermoélectriques et magnéto‑transport étendues dans le cadre de la recherche. Ils ont déterminé que les modifications de la microstructure affectaient l’effet Hall sur une large plage de températures et de champs magnétiques.

Résultats : amélioration de l’efficacité et de la stabilité thermoélectriques

Les tests ont prouvé que le matériau possédait des propriétés thermoélectriques exceptionnelles. Il a réussi à réduire la conductivité thermique du réseau de manière généralisée. De plus, il a amélioré la mobilité des porteurs. Ces réalisations sont dues à la conception qui intègre un transport de charge topologiquement protégé le long des frontières de grain.

Les ingénieurs ont également constaté une amélioration des performances et une plus grande efficacité grâce à leur nouveau design. Cela a démontré que certains matériaux permettent aux ingénieurs de cibler le transport de chaleur sans détériorer le transport de charge. Notamment, les performances de l’appareil ont dépassé les tentatives précédentes de 100 %.

Principaux avantages de la nouvelle technologie thermoélectrique

Cette étude apporte de nombreux avantages au marché. D’une part, elle utilise des matériaux abondants sur Terre et facilement disponibles. Cette approche ouvre la voie à davantage de recherches et d’études.

Elle contribue également à maîtriser les coûts tout en démontrant comment le matériau pourrait être mis à l’échelle pour répondre aux besoins futurs. Les thermoélectriques ont longtemps été réputés difficiles à fabriquer et délicats. Cette nouvelle option est à la fois plus résiliente et propose des coûts d’entrée plus faibles comparés aux normes industrielles.

Stabilité du matériau et recyclabilité des thermoélectriques

Un autre avantage majeur de cette étude est qu’elle introduit une méthode pour obtenir des thermoélectriques sans laisser de déchets persistants. Cette approche possède une grande recyclabilité, car tous les matériaux sont abondants sur Terre et ont été assemblés de manière à ne pas générer de grandes quantités de pollution environnementale.

Applications réelles des thermoélectriques et calendrier commercial

Il existe d’innombrables applications pour cette technologie. Les thermoélectriques sont considérés par beaucoup comme l’un des meilleurs moyens pour le monde d’atteindre ses objectifs de carbone net zéro et de créer une existence plus durable. Cette découverte ouvre la voie à la création d’approvisionnements énergétiques autonomes. Voici d’autres applications essentielles de cette technologie.

Thermoélectriques et Internet des objets (IoT)

L’Internet des objets comprend des milliards d’appareils intelligents à l’échelle mondiale. Ce vaste réseau de capteurs pourrait exploiter cette étude pour créer des sources d’énergie autonomes. Cette capacité permettrait à l’Internet des objets de faire un pas en avant en termes d’adoption et d’utilisabilité.

Matériaux thermoélectriques dans l’exploration spatiale et les satellites

Les thermoélectriques constituent un moyen principal pour les futurs explorateurs spatiaux de maintenir leurs lumières allumées. Ces systèmes pourront transformer la chaleur ou le froid extrêmes rencontrés dans l’espace en énergie utilisable pour voyager, protéger et améliorer la vie des futurs explorateurs spatiaux.

Utilisation des thermoélectriques dans les maisons intelligentes durables

Les thermoélectriques pourraient aider à alimenter votre maison à l’avenir. Imaginez votre maison rester fraîche lorsqu’il fait chaud dehors sans devoir alimenter les climatiseurs ou les ventilateurs. Les constructeurs continuent de voir ces matériaux comme un moyen de créer des maisons plus durables qui nécessitent beaucoup moins d’énergie pour fonctionner.

Quand les matériaux thermoélectriques deviendront‑ils grand public ?

Il pourrait s’écouler plus de 5 ans avant que cette technologie n’arrive sur le marché. La science est là, mais la taille même de l’industrie et le besoin d’explorer encore plus d’options pourraient signifier que cette technologie nécessite encore plusieurs années de recherche avant que les ingénieurs ne sentent qu’elle est suffisamment optimisée pour être commercialement viable.

Chercheurs en thermoélectriques

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Fabian Garmroudi a rendu possible l’étude sur les thermoélectriques. L’étude a été soutenue par diverses institutions éducatives respectées, dont le Los Alamos National Laboratory (États‑Unis). De plus, l’équipe a développé les nouveaux matériaux hybrides au National Institute for Materials Science au Japon. Le financement du projet a également été obtenu grâce au Lions Award.

L’avenir de la technologie thermoélectrique

L’avenir des thermoélectriques est prometteur. L’équipe à l’origine de cette étude souhaite désormais se concentrer sur le développement d’un matériau thermoélectrique capable de concurrencer les composés commercialement disponibles à base de tellurure de bismuth. Ils ont indiqué qu’ils envisagent de rechercher d’autres isolants topologiques tels que le Bi2Se3.

Investir dans le secteur de la thermo‑électronique

De nombreuses entreprises se disputent la domination du secteur des thermoélectriques. Ce marché continue de connaître une demande croissante à mesure que la puissance de calcul et les besoins en déplacement augmentent. Ces entreprises ont investi des efforts considérables dans l’exploration des thermoélectriques et d’autres options d’énergie verte. Voici une société idéalement positionnée pour bénéficier de la dernière étude sur les thermoélectriques.

TTM Technologies Inc. 

TTM Technologies Inc. (TTMI ) est entrée sur le marché en 1998. Elle a été fondée par Kent Alder et lancée à l’origine à Washington. En 1999, l’entreprise a commencé à acquérir des concurrents. L’acquisition de Pacific Circuits, Inc. a conduit la société à transférer ses opérations en Californie.

Aujourd’hui, TTM Tech est un fabricant de cartes PCB de premier plan. Notamment, c’est le plus grand d’Amérique du Nord et le principal fournisseur de cartes pour l’armée américaine. Elle compte actuellement plus de 16 400 employés et a constaté une augmentation considérable du volume de travail au cours de l’année écoulée.

Il est intéressant de noter que l’action TTMI bénéficie d’un fort soutien de la part de certaines des plus grandes sociétés d’investissement au monde. Par exemple, BlackRock (BLK ) détient environ 17 % des actions de la société, soit 18 299 780 actions. Ces facteurs, combinés à l’historique d’innovation de l’entreprise, font de TTMI une action solide à surveiller.

Dernières nouvelles sur TTM Technologies

Thermoélectriques : la prochaine technologie « cool » en conversion d’énergie

Le mouvement des thermoélectriques est en plein essor, et ce dernier développement ne manquera pas d’inspirer de nouvelles innovations. Ces matériaux uniques sont essentiels pour étendre la portée et la compréhension de l’humanité. Par conséquent, ils continueront à jouer un rôle crucial dans les technologies futures qui nécessitent une atténuation de la chaleur.

Découvrez d’autres projets énergétiques « cool » maintenant.

Études référencées :

^{1. Garmroudi, F., Serhiienko, I., Parzer, M., Ghosh, S., Ziolkowski, P., Oppitz, G., Nguyen, H. D., Bourgès, C., Hattori, Y., Riss, A., Steyrer, S., Rogl, G., Rogl, P., Schafler, E., Kawamoto, N., Müller, E., Bauer, E., de Boor, J., & Mori, T. (2025). Decoupled charge and heat transport in Fe₂VAl composite thermoelectrics with topological-insulating grain boundary networks. Nature Communications, 16(2976). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57250-6}