I materiali termoelettrici rivestono un’importanza notevole nella generazione di energia, sia attraverso fonti di calore rinnovabili, come l’energia solare e quella geotermica, sia nel miglioramento dell’efficienza energetica. Essi sono capaci di sfruttare il calore di scarto, proveniente da motori di automobili o centrali nucleari, rappresentando così una potenziale soluzione per l’energia sostenibile.
Funzionamento dei materiali termoelettrici
Questi materiali possono convertirsi in elettricità sfruttando l’effetto Seebeck, scoperto nel 1821 da Thomas Johann Seebeck. Questo fenomeno permette la trasformazione dell’energia termica in elettricità, mentre l’effetto Peltier, identificato nel 1834 da Jean Peltier, consente la conversione inversa. È da notare che, a differenza dei materiali piroelettrici che necessitano di variazioni di temperatura temporali, i termoelettrici richiedono un gradiente di temperatura. Tra i loro numerosi vantaggi si possono annoverare la sicurezza, l’efficienza energetica e il contributo alla salvaguardia ambientale, facendoli così emergere come generatori potenti di energia alternativa.
Cifre di merito e classificazioni
Un aspetto fondamentale riguardante i materiali termoelettrici è la cifra di merito, conosciuta anche come coefficiente di merito, che esprime l’efficienza di un dispositivo nel convertire calore in elettricità. L’indice ZT mostra che un valore più elevato indica una migliore performance. Questa grandezza adimensionale è definita come:
ZT = S²σT/κ,
dove S rappresenta il coefficiente di Seebeck, σ la conduttività elettrica, T la temperatura assoluta e κ la conduttività termica.
La classificazione dei materiali termoelettrici si basa sugli intervalli di temperatura operativa, differenziando tra materiali per basse temperature (ZT fino a 1), temperature medie (400–700 K, ZT fino a 1.3) e alte temperature (700–1000 K). Inoltre, esistono varianti in base alla composizione, che comprendono intermetallici, skutteruditi, clatrati, materiali hH, ossidi, calcogenuri delle terre rare, fasi di Zintl, pnicogeni e nitruri.
Intermetallici e clatrati
Gli intermetallici, caratterizzati da una disposizione atomica unica, fondono le proprietà dei metalli e delle ceramiche. A differenza delle leghe, questi composti hanno una stechiometria e una struttura cristallina precise. I materiali skutteruditi, come il Co4Sb12, presentano eccezionali proprietà elettriche e basse conduttività termiche, rendendoli promettenti per applicazioni termoelettriche.
D’altra parte, i clatrati sono composti di inclusione con una rete 3D aperta. La loro formazione risale al diciannovesimo secolo. Utilizzando legami tetraedrici covalenti, questi materiali possono intrappolare atomi metallici in cavità cristalline. Alcuni clatrati inorganici si sono dimostrati materiali termoelettrici altamente efficienti e in grado di funzionare ad alte temperature.
Fasi di Zintl e pnicogeni
Le fasi di Zintl, studiate a partire dagli anni ’30, comprendono composti intermetallici formati da metalli elettropositivi e metalli meno reattivi. Alcuni esempi, come YbZn0.4Cd1.6Sb2, mostrano prestazioni termoelettriche promettenti. Allo stesso modo, i materiali pnicogeni, come il solfuro di sodio e antimonio, hanno suscitato notevole interesse per le loro applicazioni nei dispositivi fotovoltaici e nelle tecnologie termoelettriche, grazie alle loro elevate capacità elettriche.
I nitruri, infine, rappresentano una categoria di materiali termoelettrici molto promettente. Caratterizzati da bassa tossicità e costo contenuto, i nitruri potrebbero sostituire altri materiali più tossici comunemente utilizzati, rivelandosi così una valida alternativa per sviluppare soluzioni energetiche più sostenibili.
