Dielectric materials for triboelectric and piezo/triboelectric hybrid generators

par Shan Feng

Thèse de doctorat en Science des Matériaux

Sous la direction de Jinbo Bai.

Le président du jury était Frédéric Vidal.

Le jury était composé de Jinbo Bai, Frédéric Vidal, Philippe Basset, Alain Sylvestre, Delong He, Noëlle Gogneau, Elie Lefeuvre, Jinkai Yuan.

Les rapporteurs étaient Philippe Basset, Alain Sylvestre.

  • Titre traduit

    Matériaux diélectriques pour générateurs triboélectriques et hybrides piézo-triboélectriques


  • Résumé

    Les crises énergétiques et environnementales nous obligent à chercher les sources d’énergies renouvelables, qui contribuent à la fois à réduire l’effet de serre et la consommation des sources traditionnelles d’énergie fossile. Récemment, un nouveau système, le nano-générateur triboélectrique (TENG), se convertit l’énergie mécanique en énergie électrique en combinant l’effet de la triboélectronique et de l’induction électrostatique. TENG montre comme un outil alternatif et prometteur pour la récupération des énergie s renouvelables. Pour réaliser des matériaux plus performants, la plupart des recherches s’appuie sur le choix des différents types des céramiques ou charges conductrices, de taux de charge et de nouvelle structure, l’effet de l’interface entre charge, ainsi que la taille des charges, matrice a été très peu étudié. Donc, l’objectif de cette thèse consiste à étudier les effets de taille des charges, de l’interface entre charge-matrice et de la polarisation sur les performances électriques du TENG et les nano-générateurs du type piézo/tribohybride (P-TENG). Tout d’abord, un TENG fonctionnant sous la mode de contact-séparation avec la motion de l’accélération/décélération a été utilisé dans notre expérimentation et les équations progressives du type du second ordre polynomial ont été choisi pour l’ajustement des courbes. Différents paramètres cinétiques comme distance entre deux électrodes, fréquence de déplacement, pression de contact et temp du repos du TENG basés sur les conditions expérimentales ont été étudiés dans le chapitre 2 afin de comprendre leur contributions sur les performances des sorties électriques. Deuxièmement, deux différentes tailles (BT-70, BT-500) des nanoparticules de BaTiO3 sont considérées et utilisées pour préparer des composites di électriques BaTiO3/PDMS et BaTiO3-MWCNT/PDMS dans le chapitre 3. Les propriétés di électriques de tous ces composites ont été caractérisées et le déplacement électrique entre les particules et le polymère a été analysé théoriquement. En plus, l’effet synergique de MWCNT, de nitrure de bore (BN) et de noir de carbone (CB) avec BaTiO3 dans BaTiO3-70-MWCNT (CB, BN) / PDMS ont été comparés. Tous ces films composites fabriqués précédemment sont ensuite utilisés dans l’assemblage des dispositifs TENG dans le chapitre 4. Les performances électriques ont été mesurées pour étudier l’influence de l’interface charge-matrice et l’effet synergique des particules MWCNT (CB, BN) pour les dispositifs TENG. Les résultats de la différence potentielle surfacique induite par les effets synergiques des BaTiO3/MWCNT ont été confirmé avec les simulations COMSOL Multiphysics. En outre, dans le chapitre 5 les films composites contenant des particules de BaTiO3 sont polarisés pour étudier les effets piézoélectriques et triboélectriques couplés pour P-TENG. Les effets des différents paramètres de polarisation, tels que la direction de polarisation, la température, le ratio massique du BaTiO3, le champ électrique et la taille des BaTiO3 sur les performances de P-TENG ont été discutées. Enfin, les conclusions générales sont présentées et certains ou quelques perspectives sont proposées pour le futur.


  • Résumé

    The increasing energy crisis and environmental pollution stimulate the development of renewable energies, which contribute to reducing the greenhouse effect and the consumption of traditional fossil fuels. As a new type of renewable energy harvesting system, triboelectric nanogenerator (TENG) converts mechanical energy to electrical energy by coupling the effect of triboelectrification and electrostatic induction. TENG has been proved to be an alternative and promising approach to harvest renewable energy in recent years. For the dielectric material candidates, more attention has been paid to choosing different types of ceramic or conductive fillers, filler loading and surface structure design, rather than considering the filler-matrix interface effect. Thus, it is desired to clarify the effect of filler size and fillermatrix interface on the performance of compositebased TENGs. This work aims to research the influence of filler size, filler-matrix interface, and polarization on the output performance of TENG and piezo/tribo-hybrid nanogenerator (P-TENG). Firstly, the contact-separation mode TENG with acceleration/deceleration motion is utilized in our experiments. The piecewise second-order polynomial fitting is chosen for the motion process curve fitting. Various kinematic parameters including gap distance, motion frequency, contact pressure, and pause time of TENG are studied theoretically based on the experiment conditions in chapter 2, to understand their contributions to the electrical output performance. Secondly, in chapter 3, BaTiO3 nanoparticles with two different sizes (BT-70, BT-500) are considered and utilized to prepare BaTiO3/PDMS and BaTiO3-MWCNT/PDMS dielectric composites. The dielectric properties of all composites are characterized, and the electric displacement between particle and polymer are theoretically analyzed. Moreover, the synergistic effect of MWCNT, boron nitride (BN) and carbon black (CB) with BaTiO3 in BaTiO3-70-MWCNT(CB, BN)/PDMS are compared. Then, all composite films fabricated were further utilized to assemble TENG devices in chapter 4. The output voltage, current, and charges densities of TENGs are evaluated to investigate the influence of fillermatrix interface and synergistic effect of MWCNT (CB, BN) particles on the output performance of TENG devices. COMSOL Multiphysics simulation are performed to further confirm the surface potential difference introduced by the synergistic effects of BaTiO3/MWCNTs. Furthermore, the composite films with BaTiO3 particles are polarized to further explore the interaction of piezoelectric and triboelectric effects for P-TENG in chapter 5. Influences of different polarization parameters, such as polarization direction, poling temperature, BaTiO3 mass ratio, poling electric field and BaTiO3 sizes, on the output performance of the PTENG have been discussed. Finally, general conclusions are presented and perspectives are proposed for the future work.


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