DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Matériaux polymère thermoélectriques anisotropes – Anisotherm

Fabrication de matériaux thermoélectriques polymères efficaces

Les matériaux thermoélectriques permettent de transformer la chaleur perdue en électricité. Le projet ANISOTHERM a montré que les polymères conducteurs en films minces orientés sont des matériaux de choix en raison de leurs propriétés de mise en forme unique et leur performances accrues.

Amélioration des propriétés thermoélectriques de matériau polymères en films mince par dopage contrôlé et alignement.

ANISOTHERM s’est focalisé sur la fabrication de nouveaux matériaux polymères thermoélectriques en film minces, en particulier, eu mise en œuvre en films minces orientés via un contrôle stricte de la cristallisation, de l’orientation et du dopage des matériaux. Le projet pluridisciplinaire s’est basé sur 4 laboratoires sur deux sites (Strasbourg et Tours) ayant des expertises complémentaires : synthèse macromoléculaire (ICPEES), dopage contrôlé (PCM2E, ICS) et détermination des propriétés de transport et thermoélectriques (GREMAN, ICS). Le projet a permis d’établir des corrélation entre mise en œuvre, structure et propriétés thermoélectriques pour des systèmes modèles afin de mieux comprendre les processus physiques déterminant les propriétés TE dans les matériaux polymères conducteurs. De nouveaux polymères thermoélectriques aux propriétés améliorées ont été synthétisés via de nouvelles voies de synthèse spécifiques. Du point de vue des performances, le projet a identifié les conditions de mise en œuvre nécessaires pour produire des matériaux de type p ayant des efficacités TE avec ZT=0.06 à température ambiante et des facteurs de puissance record de 2.9 mW/mK2.

Le projet a développé une méthodologie originale basée sur des étapes complémentaires et très bien contrôlées pour i) la fabrication de nouveaux polymères thermoélectriques par engineering macromoléculaire, ii) la fabrication de films minces orientés par brossage à haute température, iii) le dopage contrôlé des films orientés, iv) l'analyse structurale par TEM et v) l'évaluation des propriétés thermoélectriques anisotropes.

Anisotherm a démontré l’augmentation importante de la performance maximale des matériaux de type p grâce à l’orientation du polymère par brossage à haute température. La combinaison de la méthode d’alignement associée à un dopage contrôlé de nouveaux polymères de structure optimisée a donné d’excellents résultats sur des matériaux de type PBTTT synthétisés par ICPEES et alignés/dopés par l’ICS. Des films minces de polymères orientés et dopés montrant des facteurs de puissance record de 2.9 W/mK2 ont été fabriqués. Des polymères de type p ont montré un changement de signe du coefficient Seebeck, donnant lieu à une nouvelle méthode d’élaboration de matériaux thermoélectriques de type n.

Le projet ANISOTHERM a démontré l’importance de l’orientation des polymères semi-conducteurs sur l’amélioration des propriétés thermoélectriques, le gain peut être d’un facteur 25 sur le facteur de mérite ZT. La méthode peut être appliqués à de nouveaux polymères de type p et de type n. La fabrication de polymères thermoélectriques de type n par inversion de polarité dans les polymères donneur-accepteur de type p ouvre une nouvelle voie d’élaboration de ces matériaux de type n importants pour la fabrication de modules thermoélectriques tout-polymère.

Le projet Anisotherm a généré 12 publications dont deux articles dans Advanced Energy Materials et une brève au CNRS (https://www.inc.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/thermoelectricite-un-rendement-record-pour-des-materiaux-semi-conducteurs-polymeres-dopes). L’une des publication phare (V. Vijayakumar et al. Adv. Energu Mater. 2019, 9, 1900266) a été citée plus de 100 fois.

Ce projet concerne la fabrication de nouveaux matériaux polymères thermoélectriques (TE) et vise à explorer comment la mise en forme de ces matériaux en jouant sur leur cristallisation, orientation et dopage contrôlé, permet d’amplifier les propriétés thermoélectriques. Le projet est organisé autour de quatre tâches : i) la synthèse de nouvelles architectures macromoléculaires de polymères semi-conducteurs de type n- et p- permettant un dopage contrôlé, ii) l’élaboration de films polymères TE anisotropes par combinaison de brossage à haute température et dopage contrôlé (en phase vapeur et solution ainsi que par dopage électrochimique), iii) l'étude structurale des films orientés et dopés et iv) la détermination des propriétés de conductivité et thermoélectriques des films polymères anisotropes. Ainsi, on établira les corrélations structure-propriétés TE pour des systèmes modèles très organisés de polymères conducteurs anisotropes, ce qui permettra d'atteindre une meilleur compréhension des processus physiques gouvernant les propriétés TE dans ces matériaux. Ce projet permettra ainsi d’obtenir des nouveaux matériaux polymère TE anisotropes ayant des efficacités atteignant ZT=0.1-0.2.
L’originalité de ce projet provient de la nouvelle méthode de fabrication des films polymères conducteurs orientés qui est basées sur des étapes successives indépendantes et pouvant être précisément contrôlées. La preuve de concept de cette méthode a été récemment démontrée par l’un des partenaire de ce projet. D’un point de vue des matériaux, ce projet permettra d’obtenir des polymères conjugués et dopés de type n- et p- stables en conditions ambiantes. Le projet visera l’intercalation ordonnée de dopants dans la structure des polymères semi-conducteurs en préservant leur cristallinité élevée qui devrait ainsi permettre d'améliorer les performances TE.
Pour ce faire, le projet pluridisciplinaire implique quatre laboratoires ayant des expertises parfaitement complémentaires en synthèse macromoléculaire (ICPEES et PCM2E), croissance contrôlée de films minces et études structurales de polymères (ICS), dopage électrochimique contrôlé (PCM2E) et détermination des propriétés de transport de charge et thermoélectriques (GREMAN).

Coordination du projet

Martin BRINKMANN (Institut Charles Sadron)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PCM2E LABORATOIRE DE PHYSICO-CHIMIE DES MATÉRIAUX ET DES ELECTROLYTES POUR L'ENERGIE
GREMAN Matériaux, Microélectronique, Acoustique, Nanotechnologies
ICPEES Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé
UPR022 Institut Charles Sadron

Aide de l'ANR 453 093 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter