Récupération d'Energie : Cristallogénèse Innovante de PiézoElectriques – RECIPE

La récupération d'énergie est un domaine en plein essor. Si les systèmes de récupération d'énergie existent depuis très longtemps, comme les dynamos pour s'éclairer à vélo, de nouveaux systèmes ingénieux sont aujourd'hui mis au point pour récupérer l'énergie depuis de multiples sources. Les techniques les plus étudiées actuellement concernent le photovoltaïque, la thermoélectricité, l’énergie cinétique et la piézoélectricité.
Dans le cas des piézoélectriques, les PZT (Pb(ZrTi)O3) et autres composés morphotropiques (PMN-PT, PSN-PT…) exhibant des coefficients électromécaniques dits ‘géants’, ont ouvert de vraies solutions industrialisables de production d’énergie à partir du ‘recyclage’ d’énergie mécanique. Depuis quelques années, des portions de routes, parking, ou stations de métro tokyoïtes voient le jour afin de convertir en électricité la pression exercée par les voitures ou piétons. Des smartphones piézoélectriques flexibles, des dispositifs cardiaques autoalimentés, des générateurs d’électricité vibro-vent sont en cours de développement. Grace au mouvement naturel de la marche, des chaussures équipées de piézoélectriques dans leurs semelles pourraient accumuler suffisamment d’énergie pour alimenter un MP3 ou recharger un téléphone. Les exemples sont nombreux et concernent des domaines très variés du quotidien.

Quel que soit le système envisagé, il est primordial de trouver dans chaque cas le matériau piézoélectrique le plus performant. Actuellement, tout le travail, assez restrictif, consiste à optimiser la mise forme (céramique, cristaux, composite…), puis à polariser pour influer sur l’agencement des domaines piézoélectriques (ingénierie des domaines), pour qu’ils répondent au mieux aux sollicitations électriques ou de contraintes. Par ailleurs, si les PZT semblent aujourd’hui les plus prometteurs, la norme REACH demande à éliminer le plomb, et il convient dès à présent de se tourner vers d’autres matériaux. Notre projet souhaite explorer une solution alternative à ces deux points, lesquels représentent une limitation importante dans le développement futur de ces sources de récupération d’énergie. Nous souhaitons agir en amont, lors de l’élaboration même des matériaux, en proposant des croissances cristallines innovantes sous champ électrique. Les problématiques scientifiques sont double : (i) Comprendre et étudier le rôle joué par un champ électrique dans les processus cinétiques et thermodynamiques impliqués dans la croissance cristalline ; dans la sélection, l’orientation et la répartition des domaines piézoélectriques, (ii) Utiliser le champ électrique comme un nouvel outil afin de synthétise de matériaux nouveaux, à propriétés physiques originales ou exacerbées.
Pour tester cette innovation technologique, nous travaillerons en premier lieu sur des piézoélectriques ou ferroélastiques, à structure pérovskite, sans plomb (tels que LiNbO3, BaTiO3 ou encore CaTiO3). Nous sommes convaincus que de tels matériaux, s’ils sont judicieusement élaborés (i.e. sous champ électrique en vue de les polariser in-situ, ou bien de modifier/sélectionner leur états en domaines pendant leur synthèse même) peuvent concurrencer les piézoélectriques actuels. Cette technique de synthèse inédite que nous explorons via ce projet pourrait offrir des possibilités nouvelles pour moduler les propriétés piézoélectriques, voire même de les coupler avec d’autres propriétés (comme la multiferroïcité, via l’ajout de dopants magnétiques par exemple). De faibles coûts et non toxiques, ces matériaux seraient alors intégrables dans des systèmes de conversion d’énergie mécanique-électrique. En ce sens, ce projet s’inscrit pleinement dans l’axe 2 « Captage des énergies renouvelables et récupération des énergies de l’environnement » du défi « Energie pure, propre et efficace », en proposant un concept de rupture via l’exploration d’une nouvelle voie d’amélioration et d’innovation dans la récupération des énergies de l’environnement.