El material termoeléctrico híbrido logra una alta eficiencia al desacoplar el transporte de calor y carga

Evolución de la microestructura en Fe2v0.95ta0.1al0.95 Compuestos Heusler al incorporar BI1 – XSBX. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-57250-6

Los materiales termoeléctricos permiten la conversión directa del calor en energía eléctrica. Esto los hace particularmente atractivos para el internet emergente de las cosas. Por ejemplo, para el suministro de energía autónoma de microsensores y otros pequeños componentes electrónicos.

Para hacer que los materiales sean más eficientes, al mismo tiempo, el transporte de calor a través de las vibraciones de la red debe ser suprimida y la movilidad de los electrones aumenta, un obstáculo que a menudo ha obstaculizado la investigación hasta ahora.

Un equipo internacional dirigido por Fabian Garmroudi ahora ha logrado usar un nuevo método para desarrollar materiales híbridos que logren ambos objetivos: la coherencia reducida de las vibraciones de la red y la mayor movilidad de los portadores de carga. La clave: una mezcla de dos materiales con propiedades electrónicas mecánicas fundamentalmente diferentes pero similares.

El trabajo se publica en Nature Communications.

Nuevas propiedades a través de una nueva combinación de materiales

Los buenos materiales termoeléctricos son aquellos que conducen bien la electricidad, por un lado, pero transportan el calor lo más mal posible por el otro, una contradicción aparente, ya que los buenos conductores eléctricos generalmente también son buenos conductores de calor.

“En la materia sólida, el calor se transfiere tanto por portadores de carga móvil como por vibraciones de los átomos en la red de cristal. En los materiales termoeléctricos, tratamos principalmente de suprimir el transporte de calor a través de las vibraciones de la red, ya que no contribuyen a la conversión de energía”, explica First Fabian Garmroudi, quien obtuvo su doctorado en TU Wien y ahora trabaja como un director de Director en el Director Almator (A NOSOTROS).

En las últimas décadas, la investigación de materiales ha desarrollado métodos sofisticados para diseñar materiales termoeléctricos con conductividad térmica extremadamente baja.

“… Pude desarrollar nuevos materiales híbridos en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón que exhiben propiedades termoeléctricas excepcionales”, recuerda Garmroudi sobre su estadía de investigación en Tsukuba (Japón), que completó como parte de su trabajo en TU Wien.

Fabian Garmroudi. Crédito: David Visnjic

Específicamente, el polvo de una aleación de hierro, vanadio, tantalio y aluminio (FE2V0.95TA0.1al0.95) se mezcló con un polvo de bismuto y antimonio (BI0.9SB0.1) y se presionó en un material compacto bajo alta presión y temperatura.

Sin embargo, debido a sus diferentes propiedades químicas y mecánicas, los dos componentes no se mezclan a nivel atómico. En cambio, el material BISB se deposita preferentemente en las interfaces de tamaño micrómetro entre los cristales de la aleación de Fevtaal.

Desacoplando el transporte de calor y carga

Las estructuras de red de los dos materiales, y por lo tanto también sus vibraciones de red permitidas mecánicamente, son tan diferentes que las vibraciones térmicas no pueden transferirse simplemente de un cristal a otro. Por lo tanto, la transferencia de calor se inhibe fuertemente en las interfaces.

Al mismo tiempo, el movimiento de los portadores de carga permanece sin obstáculos debido a la estructura electrónica similar e incluso se acelera significativamente a lo largo de las interfaces. La razón: el material BISB forma una llamada fase de aislante topológico, una clase especial de materiales cuánticos que aislan en el interior pero permiten el transporte de carga casi libre de pérdidas en la superficie.

Este desacoplamiento dirigido del transporte de calor y carga permitió al equipo aumentar la eficiencia del material en más del 100%.

“Esto nos acerca un gran paso a nuestro objetivo de desarrollar un material termoeléctrico que pueda competir con compuestos disponibles comercialmente basados ​​en el telururo de bismuto”, dice Garmroudi.

Este último se desarrolló en la década de 1950 y todavía se considera el estándar de oro de los termoeléctricos en la actualidad. La gran ventaja de los nuevos materiales híbridos es que son significativamente más estables y también más baratos.

Más información: Fabian Garmroudi et al, Cargo desacoplado y transporte de calor en termoeléctricos compuestos de FE2Val con redes límite de grano aislantes topológicos, Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-57250-6

Proporcionado por la Universidad de Tecnología de Vienna

Cita: el material termoeléctrico híbrido logra una alta eficiencia al desacoplar el transporte de calor y la carga (2025, 17 de abril) Recuperado el 17 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-hybrid-thermoelectric-material-highfience.html

Este documento está sujeto a derechos de autor. Además de cualquier trato justo con el propósito de estudio o investigación privada, no se puede reproducir ninguna parte sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona solo para fines de información.