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» » » Un nuevo avance en materiales termoeléctricos

Referencia: Institute for Basic Science .
vía AlphaGalileo.org, 2 de abril de 2015
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Un grupo de investigación de Corea del Sur y Estados Unidos ha desarrollado un método de producción escalable de un estado avanzado de aleación para el uso en dispositivos termoeléctricos de estado sólido. Esta nueva aleación es casi el doble de eficiente que los materiales existentes y puede dar lugar a una nueva serie de aplicaciones. Los usos incluyen la refrigeración, la electrónica de consumo, el transporte, así como los dispositivos nuevos que no han sido todavía producidos debido a las ineficiencias de los materiales existentes.


El físico francés, Jean Charles Athanase Peltier, descubrió un concepto clave necesario para el control termoeléctrico (TE) de temperatura en 1834. Sus resultados fueron tan significativos, que los dispositivos TE son referidos ahora comúnmente como dispositivos Peltier. A partir de su trabajo, los avances han sido constantes en materiales y diseño. Pero a pesar de la sofisticación tecnológica de los dispositivos  Peltier, todavía son menos eficientes energéticamente que los tradicionales refrigerantes compresor/evaporación.

En la década de 1960, los dispositivos Peltier se hicieron principalmente de aleaciones de bismuto-Telluride (Bi2Te3) o antimonio-Telluride (Sb2Te3) teniendo una eficiencia máxima (zT) de 1.1, lo que significa que la electricidad que fluía era sólo ligeramente inferior al calor que salía. Desde los años de 1960 se han producido avances incrementales en esta tecnología de aleación utilizada en los dispositivos Peltier.

En 2014, los investigadores de Corea del Sur en el IBS Center for Integrated Nanostructure Physics, junto con el Samsung Advanced Institute of Technology, el Department of Nano Applied Engineering en la Kangwon National University, el Department of Energy Science en la Sungkyunkwan University, y el Materials Science department en el California Institute of Technology California, en EE.UU., han formulado un nuevo método para la creación de una novedosa y mucho más eficiente aleación TE.

Las aleaciones TE son especiales porque los metales tienen un punto de fusión muy alto. En lugar de fundirlos para conseguir la fusión, se combinan a través de un proceso llamado sinterización, el cual utiliza el calor y/o la presión para unir los pequeños gránulos metálicos. El equipo conjunto, incluidos los investigadores del IBS, utilizaron un proceso llamado sinterización asistida de líquido-flujo que combina los gránulos de antimonio, bismuto y teluro en una sola aleación (Bi0.5Sb1.5Te3). El teluro fundido adicional fue utilizado como líquido entre los gránulos Bi0.5Sb1.5Te3 para ayudar a fundirlos en una aleación sólida, y el exceso de Te resulta expulsado en el proceso.

A través de la creación de una aleación de esta manera, las juntas entre los granos fusionados, también conocidas como límites de grano, se obtuvo una propiedad especial. Tradicionalmente, el Bi0.5Sb1.5Te3 sinterizado tiene juntas gruesas que conducían a una disminución tanto de la conductividad térmica como la eléctrica. Esta nueva sinterización en fase líquida crea límites de grano que se organizan y alinéan en costuras llamadas matrices de dislocación. Y éstas reducen en gran medida la conducción térmica, dando lugar a una mejora de la eficiencia en la conversión termoeléctrica.

En las pruebas, la eficiencia (zT) alcanzó 2,01 a 320 K en el intervalo de 1,86 ±0,15 a 320 K (46,85 °C) para 30 muestras, casi duplicando el estándar de la industria. Cuando se utiliza la fundida aleación Bi0.5Sb1.5Te3 en un refrigerador Peltier, los resultados también son significativos. El nuevo material fue capaz de lograr un cambio de temperatura de 81 K a 300 K (26,85 °C).

Las aplicaciones de este material son abundantes. Conforme se desarrollen nuevas técnicas de fabricación, podrán usarse los dispositivos de refrigeración Peltier en lugar de los sistemas de refrigeración por compresión tradicionales. Más importante aún, conforme los vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos personales se están volviendo más omnipresentes en nuestra vida diaria, cada vez resulta más necesario contar con sistemas más eficientes en la generación localizada de energía eléctrica y de mecanismos de enfriamiento eficaces. Esta nueva aleación termoeléctrica allana el camino hacia este futuro de modernos dispositivos TE.

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- Imagen: matrices de generación de dislocaciones en los límites de grano en Bi0.5Sb1.5Te3.
- Fuente: Instituto de Ciencias Básicas .
- Publicación: Sang Il Kim, Kyu Hyoung Lee, Hyeon A. Mun, Hyun Sik Kim, Sung Woo Hwang, Jong Wook Roh, Dae Jin Yang, Weon Ho Shin, Xiang Shu Li, Young Hee Lee, G. Jeffrey Snyder, Sung Wng Kim(2015). Dense dislocation arrays embedded in grain boundaries for high-performance bulk thermoelectric. SCIENCE. DOI:10.1126/science.aaa4166.

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