Materiales termoeléctricos orgánicos, una alternativa sustentable para convertir el calor en electricidad.

 

Materiales termoeléctricos orgánicos, una alternativa sustentable para convertir el calor en electricidad.

Dr. José Manuel Mata Padilla ¹, Dr. Jorge Rivera ¹, Dr. Mario Castelan ², Edgar Miguel García Carrillo ³

¹ Investigadores por México de CONACyT, Procesos de Transformación de Plásticos, Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo, Coah., México.

² Departamento de Robótica y Manufactura Avanzada, CINVESTAV-Unidad Saltillo, Ramos Arispe, Coah., México.

³. Procesos de Transformación de Plásticos, Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo, Coah., México

 

El crecimiento poblacional y el desarrollo industrial han incrementado de manera acelerada la demanda de energía, provocando un uso desmedido de recursos tales como el petróleo y el gas natural; y cuya transformación a electricidad contribuye de manera significativa en el calentamiento global. Por esta razón, el desarrollo de estrategias más eficientes para la obtención de energía eléctrica es urgente ya que es fundamental para el funcionamiento de diversas industrias, servicios, en el hogar y transporte. Algunos estudios muestran que solo el 40 % del total de la energía se aprovecha eficientemente, mientras que el resto se pierde durante su transformación [1], principalmente en forma de calor (Figura 1).

Figura 1. Pérdida de energía en forma de calor debido a la ineficiencia de los sistemas.

 

En este sentido, se han empleado diversas estrategias para minimizar estas pérdidas de energía. Una opción interesante es el uso de los generadores termoeléctricos, los cuales tienen la capacidad de convertir el calor en electricidad; además que no generan emisiones ni tienen partes móviles, aumentando su tiempo de vida útil. La conversión de calor en electricidad ocurre debido a un fenómeno conocido como efecto Seebeck, consistente en la generación de una diferencia de potencial debido al movimiento de electrones (-) o huecos (+) a lo largo de un gradiente de temperatura que experimenta el material (Figura 2).

Figura 2. Efecto termoeléctrico (Seebeck) en un elemento de generador termoeléctrico. A través de una diferencia de temperaturas ocurre la transformación de calor (solar o residual) a electricidad.

 

La magnitud de este efecto se cuantifica a través del coeficiente de Seebeck. Por otro parte, la eficiencia en la conversión de calor a electricidad se mide a través de un parámetro conocido como figura de mérito (ZT), que depende de tres factores. Que tanto la conductividad eléctrica (σ ) como el coeficiente de Seebeck (S) sean grandes, mientras que la conductividad térmica (κ) sea baja. Sin embargo, descubrir nuevos y mejores materiales que tengan este comportamiento es complicado, ya que estas propiedades están acopladas. En la figura 3 se muestra un esquema del comportamiento de materiales aislantes, semiconductores y metales para los cuatro parámetros de un material termoeléctrico.

Figura 3. Esquema mostrando el comportamiento termoeléctrico de materiales aislantes, metales y semiconductores. La concentración de portadores, el coeficiente de Seebeck y la conductividad térmica dan el valor característico "ZT" o "Figura de mérito" que describe el comportamiento termoeléctrico de cualquier material [2]

Los materiales termoeléctricos más utilizados actualmente son inorgánicos, y comprenden aleaciones de telurio, bismuto, antimonio y plomo, los cuales aunque tienen la mayor eficiencia termoeléctrica presentan un alto costo, son tóxicos y su procesabilidad es baja [3]. Por otro lado, a pesar de que los metales tienen una excelente conductividad eléctrica, su conductividad térmica tan alta les impide su uso en dispositivos termoeléctricos. En contraste, los polímeros tienen algunas ventajas que los vuelve atractivos para esta aplicación, tales como bajo costo, procesamiento sencillo y una muy baja conductividad térmica; sin embargo, su conductividad eléctrica es también muy baja.

En general, la principal limitación de estos materiales recae en su aún baja eficiencia. Por ejemplo, se han logrado obtener materiales termoeléctricos inorgánicos con un ZT de hasta 2, el cual corresponde a una eficiencia del 20 %. No obstante, para aplicaciones comerciales se requieren materiales con ZT de por lo menos 1; aunque, algunos materiales con valores menores pueden ser aplicados en generadores de baja potencia [4]. Una alternativa de investigación de vanguardia y con un futuro brillante para este tipo de aplicaciones, es el desarrollo de materiales termoeléctricos orgánicos, aunque aún tiene muchos retos por resolver.

            En este sentido Di et al., [5] establecieron los principales retos que tienen los materiales termoeléctricos orgánicos: (i) la optimización de los polimeros conductores eléctricos más tradicionales (ej. PEDOT:PSS; Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato)), para alcanzar un comportamiento superior, ii) Desarrollo de materiales orgánicos/inorgánicos híbridos mediante la combinación de las ventajas que presentan los diferentes materiales orgánicos e inorgánicos respecto de una baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica, iii) exploración de nuevos métodos de dopaje de los polímeros conductores (vi) modulación de micro/nanoestructuras para lograr un rendimiento optimizado y obtener nuevos conocimientos sobre materiales termoeléctricos orgánicos. Además, estos autores establecen que un punto clave de la investigación termoeléctrica se basa en la relación de compensación entre S, σ y κ; y que una comprensión profunda de estos mecanismos y relaciones, analizadas desde un punto de vista teórico y/o de simulación computacional, producirá nuevos avances en las actividades experimentales.

Bajo esta premisa, en el CIQA, el grupo de trabajo estamos desarrollando un proyecto sobre el “Descubrimiento y diseño de nuevos materiales termoeléctricos híbridos orgánicos/inorgánicos con alta eficiencia termoeléctrica” que fue aprobado dentro de la Convocatoria de Ciencia de Frontera 2022 “Paradigmas y Controversias de la Ciencia” de CONACyT cuyo responsable técnico es el Dr. José Manuel Mata Padilla. El paradigma a resolver en este proyecto es que el descubrimiento y/o diseño de nuevos materiales termoeléctricos híbridos orgánico/inorgánico con alta eficiencia termoeléctrica (ZT=1) es altamente factible a través de correlacionar de manera efectiva, usando simulación numérica por elemento finito y modelos de machine learning (ej. métodos de regresión lineal múltiple multivariada), el tipo de partícula inorgánica termoeléctrica, la forma y tamaño de esta, el tipo de polímero conjugado semiconductor, y el tamaño y volumen de porosidad dentro de la matriz polimérica. Este planteamiento se basa en la necesidad de desacoplar la conductividad eléctrica y térmica de estos materiales y optimizar el valor de ZT. De esta forma, en esta primera etapa del proyecto se están analizando materiales termoeléctricos de PEDOT:PSS compuestos con micropartículas termoeléctricas orgánicas como Telururo de Bismuto (Bi₂Te₃) y Telururo de Antimonio (Sb₂Te₃), los cuales fueron seleccionados debido a su alto valor de ZT, tomando como base un artículo de revisión que fue publicado recientemente por parte del grupo de trabajo [6]. Para tal efecto se está empleando simulación numérica por elemento finito y Machine learning como estrategia metodológica para la predicción de nuevos materiales termoeléctricos orgánicos/inorgánicos híbridos con valores de eficiencia termoeléctrica cercana a la unidad. El análisis de los materiales termoeléctricos por elemento finito se describe en la Figura 4. Esta parte de la investigación es llevada a cabo en colaboración con el Dr. Jorge Enrique Rivera Salinas quién tiene una amplia experiencia en la simulación numérica por elemento finito de diferentes fenómenos; mecánicos y térmicos.

Figura 4. Esquema del análisis de simulación numérica por elemento finito de los materiales compuestos de polímero conductor eléctrico (ej PEDOT-PSS) y partículas micrométricas de telururo de bismuto (Bi₂Te₃) En el esquema se ilustra la parte del pre-procesamiento (ej. representación del volumen representativo y el mallado del dominio computacional), así como el post-procesamiento (gráficos de superficie) del potencial eléctrico;y de la temperatura y las líneas de corriente del flujo de calor.

            Es importante señalar que los resultados obtenidos mediante simulación numérica han generado nuevas bases de datos sobre sistemas de materiales híbridos orgánicos/inorgánicos que se utilizarán para analizar con herramientas de machine learning (aprendizaje de máquina) (i.e. Redes neuronales, regresiones lineales múltiples multivariables, etc.) con el objetivo de predecir y optimizar las correlaciones existentes entre las parámetros (S, σ y κ) que maximicen ZT. Este análisis mediante machine learning se está realizando en colaboración con el Dr. Mario Castelan del Departamento de Robótica y Manufactura Avanzada del CINVESTAV-Unidad Saltillo.

            De esta manera, consideramos que através del desarrollo de este proyecto se podrá, en el corto plazo, delimitar las condiciones experimentales óptimas que permitan diseñar aceleradamente nuevos materiales termoeléctricos híbridos con eficiencias termoeléctricas cercanas a las que presentan los materiales termoeléctricos inorgánicos. Además, de que tendrán un plus en cuanto a su durabilidad, versatilidad y menor impacto ambiental.

 

Literatura citada

1.       Zhang, X., Zhao, L. D. (2015). Thermoelectric materials: Energy conversion between heat and electricity. Journal of Materiomics. 1, 92-105.

2.       Esquema Behavior-of-insulators-metals-semiconductors, en Seebeck Coefficient (https://www.linseis.com/en/properties/seebeck-coefficient/)

3.       Cigarini, L., Ruini, A., Catellani, A., Calzolari, A. (2017). Thermoelectric figure of merit of polymeric systems for low-power generators. Journal of Physics D: Applied Physics. 50, 395502.

4.       Song, H., Liu, C., Zhu, H., Kong, F., Lu, B., Xu, J., Wang, J., Zhao, F. (2013). Improved thermoelectric performance of free-standing PEDOT:PSS/Bi₂Te₃ films with low thermal conductivity. Journal of Electronic Materials. 42 (6), 1268-1274.

5.       Di, C., Xu, W., Zhu, D., (2016) Organic thermoelectrics for green energy, Natl. Sci. Rev. 3 269–271. doi:10.1093/nsr/nww040.

6.       Mata-Padilla, J.M. Ávila-Orta, C.A. Cruz-Delgado, V.J. Martínez-Colunga, J.G. (2020) Nanostructured Polymers for Thermoelectric Conversion, in: Handb. Nanomater. Nanocomposites Energy Environ. Appl., Springer International Publishing, Cham, pp. 1–27.