Nanocomposites de polymère diélectrique pour le stockage d'énergie

Abstract

Les condensateurs diélectriques possèdent une densité de puissance intrinsèque élevée, mais ils souffrent de la faible densité d'énergie des diélectriques commerciaux. Des efforts considérables ont toujours été consacrés à l'amélioration de la densité d'énergie des polymères en augmentant la permittivité via l'incorporation de nanoparticules à haut permittivité ou à haute conductivité dans les polymères. Une permittivité géante peut en effet être obtenue grâce à l'amélioration significative du champ électrique interne local à l'intérieur des composites. Paradoxalement, cela se traduit généralement par une forte diminution de la résistance au claquage. Par conséquent, l'augmentation subséquente de la permittivité n'a pas pu compenser cette diminution et donne une densité d'énergie plus faible par rapport au polymère vierge. Dans cette thèse, nous cherchons de nouvelles voies colloïdales pour améliorer simultanément la permittivité et la rigidité diélectrique des polymères, en ciblant une densité d'énergie élevée. Nous avons d'abord utilisé une technique à base d'eau pour préparer des diélectriques entièrement polymères constitués de nanoparticules de latex de polyfluorure de vinylidène (PVDF) à 3 % en poids dispersées dans la matrice d'alcool polyvinylique (PVA). Cette approche combine idéalement la haute permittivité du PVDF et la haute résistance au claquage du PVA, conduisant ainsi à une densité d'énergie élevée de 8,1 J/cm3 à ~515 MV/m, qui est 300 % supérieure à celle de chaque composant polymère. De plus, afin de profiter pleinement de la polarisation du PVDF, une teneur en PVDF plus élevée est nécessaire. Cependant, les charges nettes existant sur les nanoparticules de latex et la présence de petits contre-ions limitent largement la tolérance à haute tension lorsque les particules se rapprochent. Nous proposons d'utiliser le chitosane chargé positivement, un polymère hydrosoluble bioressourcé, pour interagir électrostatiquement av ec les nanoparticules de PVDF et optimiser les charges de surface nettes des particules hybrides. De plus, l'existence de chitosane empêche la coalescence des particules de latex et forme une structure étroitement tassée mais séparée. Une telle structure est très favorable pour profiter des fortes polarisations du PVDF tout en supprimant les courants de fuite liés aux barrières entre particules. Les nanocomposites obtenus présentent des densités d'énergie plus élevées (10,14 J/cm3), qui sont près de 500 % supérieures à celles du film de latex PVDF pur. Le principe validé a été étendu avec succès à d'autres systèmes colloïdaux, tels que le latex de polystyrène, les dispersions d'argile, indiquant la polyvalence de l'approche proposée pour développer des matériaux composites diélectriques à haute énergie. Enfin, dans cette thèse, basée sur les encres diélectriques colloïdales développées, nous avons également exploré la possibilité d'utiliser la technique d'impression jet d'encre pour imprimer des condensateurs diélectriques à haute densité d'énergie.