Modeling, characterization and implementation of ferroelectric materials and their phase transitions for energy harvesting under extreme conditions.
Modélisation, caractérisation et mise en œuvre de matériaux ferroélectriques et de leurs transitions de phase pour la récupération d'énergie dans des conditions extrêmes
Résumé
This research focuses on the use of phase transitions in ferroelectric materials for mechanical energy harvesting. Mechanical energy harvesting is an alternative approach to power devices and sensors, which is of great interest, especially considering the rise of interconnected devices and the need for decarbonized electricity production. This thesis has the particularity of addressing non-resonant systems, which are still underexplored in energy harvesting. One of the main challenges with this approach is the need to maximize the scavenged energy per cycle to make it viable. Thus, the use of thermodynamic cycles allows for the optimization of harvested energy. The Ericsson cycle, commonly known as the Olsen cycle in the field of pyroelectric energy harvesting, has attracted attention due to its remarkable energy conversion capabilities. This cycle consists of two isostatic processes and two isoelectric processes, providing a good solution for non-resonant mechanical energy harvesting. In this context, ferroelectric materials (a specific class of piezoelectric materials) show significant potential to be used in mechanical energy harvesting as transducers due to their exceptional properties. A notable characteristic of these materials is their ability to exhibit phase transitions induced by variations in temperature, electric field, and stress. Exploiting these phase transitions can be promising for enhancing the energy converted, as the materials exhibit nonlinear properties near these transitions. Therefore, this work proposes, through modeling, characterization, and implementation of these ferroelectric materials in energy harvesting devices, to use nonlinearities induced by stress and electric field to improve mechanical energy conversion.
Ce travail de recherche se concentre sur l’utilisation des transitions de phases des matériaux ferroélectriques pour la récupération d’énergie mécanique. La récupération d'énergie mécanique est une approche alternative pour alimenter des dispositifs et des capteurs. Cela est d’un grand intérêt, surtout compte tenu de l’essor des dispositifs interconnectés et du besoin de produire de l’électricité décarbonée. Cette thèse a la particularité de s’intéresser aux systèmes non résonnants, ce qui reste encore peu exploité en récupération d’énergie. L'un des principaux défis avec cette approche est la nécessité de maximiser la récupération d'énergie par cycle pour la rendre viable. Ainsi, l'utilisation de cycles thermodynamiques permet d'optimiser l'énergie récoltée. Le cycle d’Ericsson, communément appelé cycle d’Olsen dans le domaine de la récupération d'énergie pyroélectrique,
a attiré l'attention en raison de ses remarquables capacités de conversion d'énergie. Ce cycle comprend deux processus isostatiques et deux processus isoélectriques et il offre une bonne solution pour la récupération d'énergie mécanique non résonante. Dans ce contexte, les matériaux ferroélectriques (une classe particulière des matériaux piézoélectriques) montrent un potentiel significatif pour être utilisés dans la récupération d'énergie mécanique en tant que transducteur en raison de leurs propriétés exceptionnelles. Une caractéristique notable de ces matériaux est leur capacité à afficher des transitions de phase induites par des variations de température, de champ électrique et de contrainte. L'exploitation de ces transitions de phases peut s’avérer prometteur pour améliorer la récupération d'énergie, étant donné que les matériaux présentent des propriétés non linéaires à proximité de ces transitions. Ainsi, ce travail propose grâce à la modélisation, la caractérisation et l’implémentation de ces matériaux ferroélectriques dans des dispositifs de récupération d’énergie, d’utiliser ces non-linéarités induites par la contrainte et par le champ électrique pour améliorer la conversion d’énergie mécanique.
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