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Actualité | Recherche fondamentale

Maîtrise de nouveaux matériaux thermoélectriques

Nouveaux matériaux thermoélectriques  
Le CEA-Drecam*, en lien avec l’Université de Liverpool et l’Institut Hahn Meitner de Berlin, a mis en évidence la présence de structures nanométriques dans les cobaltates de sodium, des composés de la même famille que les cobaltates de lithium utilisés dans les batteries d’appareils portables. La compréhension de la formation de ces structures ouvre la voie à la production de nouveaux matériaux à fort pouvoir thermoélectrique, c’est-à-dire capables de transformer une énergie thermique en courant électrique et réciproquement. Ces recherches font l’objet d’une publication dans la revue britannique Nature du 8 février.

Publié le mercredi 7 février 2007

Les ‘cobaltates’  alcalins sont des structures alternant des couches planes d’oxyde de cobalt avec des ions de métaux alcalins comme le lithium ou le sodium. Par action électrochimique, on peut aisément faire varier la proportion d’ions alcalins entre les couches de cobalt, de façon à contrôler leurs propriétés électriques et magnétiques.

Les travaux réalisés par le CEA Drecam, conjointement avec l’Université de Liverpool et l’Institut Hahn Meitner de Berlin, ont porté sur la répartition des ions sodium au sein de ces structures en fonction de leur nombre.

 

Dans les structures qui comprennent une à deux fois moins d’ions sodium que de cobalt, les chercheurs ont montré que les ions de sodium se regroupent en amas, et isolent des zones de taille nanométrique vides de sodium, dites ‘lacunes’, qui prennent des formes triangulaires. La répartition particulière de ces lacunes a une influence primordiale sur les électrons circulant dans les plans d’atomes de cobalt, les contraignant à occuper préférentiellement certaines régions. Ces propriétés de transport particulières varient avec la proportion d’ions sodium. On observe également que ces matériaux, à forte conductivité électrique, possèdent une faible conductivité thermique car les atomes de sodium proches des lacunes peuvent vibrer plus librement en absorbant de la chaleur.

La possibilité de contrôler les propriétés magnétiques et de transport des matériaux étudiés à travers leur composition en ions sodium ouvre un vaste champ d’investigation.  Les fortes performances thermoélectriques de ces matériaux, observées en particulier pour une proportion d’ions sodium voisine de 0,8, et leurs possibilités de stockage de charges électriques, déjà utilisées depuis dix ans dans certains types de batteries alcalines, laissent envisager des applications importantes. Celles actuellement à l’étude portent par exemple sur l’utilisation d’un courant électrique pour refroidir des circuits électroniques, ou sur la conversion en énergie électrique de chaleurs perdues comme les gaz d’échappement. 

 

 

Structures nanométriques dans les cobalates de sodium
Le réseau triangulaire, en doré, souligne les positions centrales des atomes de cobalt (marron, en arrière plan). Les sphères bleues représentent les ions oxygène. Les ions sodium en premier plan peuvent occuper deux positions différentes entre les ions oxygène : ils sont représentés en rouge s’ils se projettent sur les sites de cobalt et en vert s’ils se projettent au milieu d’eux. Dans le composé saturé en sodium, les ions sodium forment un empilement compact, en position verte. Avec 20% d’atomes de sodium manquants, les ‘lacunes’ se regroupent : on les observe autour des atomes de sodium figurés en rouge, qui eux-mêmes changent de position  sur le réseau de cobalt.

 

*Drecam./SPEC : Département de recherche sur l’état condensé, les atomes et les molécules / Service de physique de l’état condensé – CEA/Saclay

 

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