Matériaux Ferroélectriques pour la Conversion Electrothermique: du monocristal à l'application – MAFER-CELEC

La tendance actuelle dans les systèmes électroniques est leur intégration dans la plupart des objets courants en vue de l'extension du nombre de fonctions et de l'augmentation de leur fiabilité. Au c?ur de cette intégration se trouve la consommation électrique. Malgré de larges efforts dans les capacités des batteries, la demande actuelle est telle qu'il faut trouver d'autres sources d'énergies pour l'électronique embarquée (problèmes environnementaux liés au recyclage des batteries, confort de l'utilisateur...). La récupération d'énergie est une des solutions faisant l'objet d'une recherche en pleine expansion et de développements industriels, pour alimenter le système en direct d'une part, mais aussi pour stocker l'énergie lorsqu'elle n'est pas nécessaire. - Actuellement, ces sources autonomes d'énergie sont principalement l'énergie solaire et l'énergie mécanique. Cette dernière peut être récupérée lorsqu'elle est sous forme vibratoire (résonances mécaniques) ou statique (produite par la marche d'une personne par exemple). A titre local, une société dont l'activité est basée sur les brevets du Laboratoire LGEF (INSA de Lyon) est en phase d'incubation (Crealys, incubateur Rhône-Alpes Ouest), et le LGEF accompagne le créateur dans sa démarche. Ces brevets traitent de la récupération d'énergie sur structure résonante par une approche non linéaire du contrôle de la tension aux bornes d'un élément piézoélectrique. - L'énergie thermique est rarement récupérée, à cause de la difficulté de mettre au point d'efficaces convertisseurs électrothermiques. Pourtant, la quantité d'énergie potentiellement « disponible » est colossale. - Le projet traite de la récupération d'énergie et du refroidissement par le biais de l'effet électro-calorique dans les matériaux ferroélectriques. Cet effet qui repose sur la variation de température du matériau induite par un champ électrique a fait l'objet de peu d'études pour la famille de matériaux considérée, hormis le refroidissement à très basse température. Nous proposons une étude approfondie des possibilités ouvertes par ces matériaux, en l'occurrence au travers de nouveaux monocristaux de type (1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 apparus au cours des 10 dernières années. Ces matériaux représentent une rupture technologique en termes de performances piézoélectriques par rapport aux céramiques polycristallines couramment utilisées, et il est attendu de confirmer cette rupture au travers des propriétés électrothermiques. - L'objectif du projet est d'étudier la conversion électrothermique ferroélectrique au travers de 3 axes principaux : - - Partie matériaux : Le but est d'étudier les monocristaux de type (1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 dans ce contexte et de proposer de nouveaux matériaux, basés sur les interprétations obtenues dans la partie phénoménologique. - - Partie phénoménologique : L'objectif est d'étudier le mécanisme de la conversion électrothermique pour en comprendre les limites et proposer des solutions permettant de les dépasser. Des mesures calorimétriques et de température doivent permettre de comprendre et de modéliser les phénomènes mis en jeu. Par ailleurs, l'étude quantitative de l'anisotropie contrôlée en champ, associée par l'interprétation microscopique et macroscopique de l'hystérésis de la polarisation et de la température en champ électrique permettra de développer des modèles performants. La compréhension de ces phénomènes doit par ailleurs aboutir au développement de nouveaux concepts d'applications. - - Partie Applications : Le but est de proposer des démonstrateurs montrant l'intérêt de l'emploi des matériaux ferroélectriques, pour la récupération d'énergie et pour le refroidissement. Dans un premier temps, l'emploi du « Synchronized Switch Harvesting », technique innovante pour maximiser les échanges énergétiques, sera employée pour optimiser la récupération d'énergie sur des cycles de température. La technique consiste en un contrôle non linéaire de la tension aux bornes