Description du sujet de thèse

Le ou la doctorant.e développera de nouveaux polymères électroactifs, y compris des matériaux biosourcés, avec de hautes performances de refroidissement électrocaloriques (EC). Ces performances de refroidissement seront optimisées en ajustant les caractéristiques structurelles clés et les paramètres de procédé de fabrication de couches minces, qui influencent toutes les propriétés diélectriques et électrocaloriques. Plusieurs approches seront explorées. Une analyse physico-chimique approfondie de la structure de ces matériaux sera menée par le ou la doctorant.e, permettant ainsi d'élucider l'impact de ces modifications sur l'architecture des polymères, leur cristallisation et leurs propriétés électrocaloriques. Cette combinaison d’analyses permettra la création d'un diagramme de phases 3D complet (composition, température, champ électrique) pour chaque matériau nouvellement développé. Une attention particulière sera accordée à la caractérisation fiable de l'effet électrocalorique. Dans ce but, le ou la doctorant.e participera au développement d'une approche normalisée pour mesurer les performances des polymères électrocaloriques. Les polymères ayant les meilleures performances seront ensuite intégrés dans des dispositifs de refroidissement plats, légers, flexibles, évolutifs et écoénergétiques, en collaboration avec des groupes de recherche à l'Université Paris-Saclay.

Contexte de travail

Après deux années de chaleur record, les villes du monde entier ont été menacées par des températures pouvant atteindre les 50 °C, mettant à l'épreuve la santé des habitants et poussant les réseaux électriques au bord de l'effondrement. La nécessité d’un tournant radical dans les stratégies de lutte contre le réchauffement climatique, notamment dans les zones urbaines s’impose donc. L'efficacité des systèmes de refroidissement est une question majeure, car selon l'Agence internationale de l'énergie, jusqu'à 20 % de l'électricité utilisée dans les bâtiments est consommée par des climatiseurs. Néanmoins, la dureté des vagues de chaleur, même dans les zones géographiques autrefois considérées comme tempérées, nous oblige à repenser les approches traditionnellement adoptées. Il faut envisager une nouvelle stratégie où des climatiseurs classiques utilisés dans de grands espaces intérieurs fonctionneront en parallèle avec des systèmes de refroidissement petits, légers et facilement déployables qui seront capables de préserver véhicules, médicaments et nourriture, ainsi que les corps humains à une température appropriée, même lorsque la température extérieure atteint des pics de l'ordre de 50°C. Ce projet propose une approche innovante de refroidissement où des films de polymères P(VDF-TrFE-CFE) électrocaloriques (EC) seront utilisés comme réfrigérants dans des dalles plates, légères, flexibles, évolutives et énergétiquement efficaces. Celles-ci fonctionneront sur une différence de température de l'ordre de 20-30 °C à 20 % du COP de Carnot et avec une puissance frigorifique de l'ordre de 100 mW/cm2. Une gestion innovante de la chaleur, mettant le réfrigérant EC en contact avec les réservoirs, permettra d'atteindre des rendements plus élevés et une meilleure compacité. Ce projet posera les bases de nouvelles technologies de refroidissement efficaces, faciles à déployer, portables et évolutives, qui peuvent changer radicalement la manière dont nous abordons les vagues de chaleur.

En collaboration avec l'Université Paris-Saclay et CentraleSupélec, le LCPO vise à développer de nouveaux polymères électroactifs pour relever les défis mentionnés précédemment. Le LCPO possède une vaste expérience avec ce type de polymères. Ce travail inclut l'ingénierie précise de la microstructure de ces polymères semi-cristallins, ainsi qu'une caractérisation approfondie pour élucider leurs relations structure-propriétés et améliorer leurs performances dans diverses applications liées à l'énergie. Ces applications comprennent des condensateurs ferroélectriques, des récupérateurs d'énergie piézoélectriques, des capteurs de température pyroélectriques et des contributions significatives au développement de réfrigérants électrocaloriques. Ce dernier inclut une approche brevetée qui introduit de l'insaturation dans sur la chaine principale des polymères fluorés, entraînant l'une des meilleures performances électrocaloriques enregistrées à ce jour. De plus, le LCPO a développé une expertise dans la formulation d'encres à partir de ces matériaux pour des techniques d'impression industrielles évolutives, telles que la sérigraphie, et a étudié l'influence de divers paramètres de traitement de solutions sur les propriétés des dispositifs résultants.