Conception de composite flexible céramique sans plomb/biopolymère pour des applications de stockage et de récupération d'énergie

Abstract

Les dispositifs de stockage et de récupération d'énergie existants souffrent des performances modérées, de la faible flexibilité et de l'utilisation de composés toxiques. Ainsi, l'approche nanocomposite céramique/polymère est très prometteuse pour les applications de stockage et de récupération d'énergie à haut rendement, en raison de la constante diélectrique élevée de la céramique et de la résistance à la rupture élevée, de la flexibilité et de la facilité de traitement du polymère. Cette thèse est articulée autour de la conception de nanocomposites céramique (BCZT)/polymère (PLA) pour répondre à ces exigences. Tout d'abord, des synthèses contrôlées de céramiques BCZT avec différentes tailles de particules, distributions de tailles et formes ont été réalisées et discutées. Les effets de la taille des particules et de la forme des grains des céramiques BCZT sur les propriétés diélectriques ont été étudiés. Il a été constaté que la céramique BCZT avec des particules presque sphériques élaborée par le procédé hydrothermal à basse température à 160 °C a révélé des propriétés diélectriques et ferroélectriques améliorées par rapport aux autres céramiques BCZT préparées par d’autres méthodes. Ensuite, des particules quasi sphériques BCZT, des nanorods BCZT et des nanofils HZTO ont été incorporés dans la matrice polymère PLA biodégradable. Les effets de la forme, de l’arrangement, de la constante diélectrique et du facteur de forme de la céramique sur la constante diélectrique du nanocomposite ont été étudiés en utilisant la constante diélectrique effective des modèles de nanocomposite. A l’issu de cette étude, il a été constaté que pour améliorer les propriétés diélectriques du composite, il n'est pas nécessaire d'utiliser des charges céramiques à haute permittivité mais plutôt, contrôler leurs géométries au sien du composite. Par la suite, les performances de stockage d'énergie des nanocomposites à base de PLA ont été évaluées par des boucles d'hystérésis D−E. Ainsi, une forte capacité de stockage énergie a été obtenue dans les nanocomposites à base de charges en forme de bâtonnets. L'aspect récupération d'énergie a été étudié en concevant un nanogénérateur piézoélectrique bio-flexible (BF-PNG) à base d’un film nanocomposite BCZT/PLA pour convertir l'énergie mécanique ambiante en énergie électrique. Ce BF-PNG pourrait générer une tension en circuit ouvert et un courant de court-circuit de 14,4 V et 0,55 µA respectivement, et une grande densité de puissance de 7,54 mW/cm3 à une faible charge résistive de 3,5 MΩ, sous un léger tapotement du doigt. La faisabilité du BF-PNG a été testée en pilotant l'électronique commerciale (charge de condensateurs et allumage d'une LED). En conséquence, ce travail démontre que la céramique écologique sans plomb BCZT en combinaison avec le biopolymère PLA peut conduire à des nanocomposites flexibles avec des performances améliorées de stockage et de récupération d'énergie pour des applications dans des dispositifs auto-alimentés.